Распределение воздуха под полом
Распределение воздуха под полом (UFAD) — это стратегия распределения воздуха для обеспечения вентиляции и кондиционирования помещений в зданиях в рамках проектирования системы HVAC . В системах UFAD используется приточная камера под полом, расположенная между несущей бетонной плитой и системой фальшпола для подачи кондиционированного воздуха к приточным выходам (обычно напольным диффузорам), расположенным на уровне пола или рядом с ним в занимаемом помещении. Воздух возвращается из помещения на уровне потолка или максимально допустимой высоты над обитаемой зоной. [1]
Система UFAD использует преимущества термического шлейфа и явления расслоения: кондиционированный воздух подается непосредственно в рабочую зону (ОЗ). Тепловые шлейфы, создаваемые жильцами и другими источниками тепла, вводят кондиционированный воздух, поглощая тепло и влажность, а затем переносят загрязненный воздух в верхнюю зону (UZ). В определенной плоскости в помещении расход воздуха, возвращаемого в УЗ, равен приточному. Плоскость разделяет помещение на ОЗ и УЗ и приводит к термическому расслоению: в УЗ концентрируется горячий и загрязненный воздух, а в ОЗ воздух прохладный и свежий. [2]
UFAD может принести несколько потенциальных преимуществ по сравнению с традиционными подвесными системами, включая снижение затрат на строительство в течение жизненного цикла; улучшенный тепловой комфорт, удовлетворенность жильцов и производительность; повышение эффективности вентиляции, качества воздуха в помещении и здоровья; снижение энергопотребления и статического давления; и уменьшенная высота пола в новом строительстве. [3]
Система UFAD была первоначально внедрена в 1950-х годах для помещений с высокими тепловыми нагрузками и систем фальшполов для управления кабелями и оборудованием (например, компьютерные залы, центры управления и т. д.). Система была внедрена в офисных зданиях в 1970-х годах в Западной Германии с добавлением диффузоров локализованной подачи, контролируемых жильцами. В настоящее время система UFAD получила широкое признание в Европе, Южной Африке и Японии. [1]
UFAD часто используется в офисных зданиях , особенно в офисах открытой планировки с высокой степенью реконфигурации, где фальшполы желательны для прокладки кабелей. UFAD подходит для различных типов зданий, включая коммерческие помещения, школы, церкви, аэропорты, музеи, библиотеки и т. д. [4] Известные здания, использующие систему UFAD в Северной Америке, включают The New York Times Building , Bank of America Tower и Федеральное здание Сан-Франциско . На этапе строительства систем UFAD необходимо уделить особое внимание обеспечению хорошей герметизации пленума во избежание утечки воздуха в приточных камерах UFAD.
Описание системы
[ редактировать ]В системах UFAD используются кондиционеры , которые фильтруют и кондиционируют воздух до соответствующих условий подачи, чтобы его можно было доставить в зону присутствия людей. обычно используются воздуховоды В то время как в подвесных системах для распределения воздуха , в системах UFAD используется камера под полом, образованная путем установки фальшпола . Камера пленума обычно располагается на высоте 0,3 и 0,46 метра (12 и 18 дюймов ) над несущей бетонной плитой, хотя возможна и меньшая высота. [5] [6] специальной конструкции . напольные диффузоры В качестве приточных розеток используются [4] Наиболее распространенная конфигурация UFAD состоит из центральной установки обработки воздуха, подающей воздух через камеру под давлением в помещение через напольные диффузоры. Другие подходы могут включать в себя терминальные устройства с приводом от вентиляторов на розетках, воздуховодах под полом, вентиляционных отверстиях на рабочем столе или соединениях с персональными системами контроля окружающей среды . [7]
Распределение и стратификация воздуха УФАД
[ редактировать ]Термическая стратификация является результатом процессов, которые наслаивают внутренний воздух в соответствии с относительной плотностью. Образующийся слой воздуха представляет собой вертикальный градиент с более холодным воздухом высокой плотности внизу и более теплым воздухом низкой плотности вверху. [8] Из-за естественного конвективного движения воздуха стратификация применяется преимущественно в условиях похолодания. [8]
Системы UFAD используют естественную стратификацию, которая возникает, когда теплый воздух поднимается вверх из-за тепловой плавучести . В конструкции UFAD кондиционированный воздух остается в нижней, занятой части помещения, в то время как источники тепла, такие как жильцы и оборудование, генерируют тепловые шлейфы , которые переносят теплый воздух и загрязняющие вещества, генерируемые источником тепла, к потолку , где они выводятся через возврат. воздуховоды. [7] Температурная стратификация, создаваемая системой UFAD, влияет на пространственные заданные значения. Большая часть тела пассажира находится в зоне, температура которой ниже температуры на высоте термостата; поэтому текущая практика рекомендует повысить уставки термостата по сравнению с традиционными верхними системами. Оптимальная стратегия вентиляции контролирует приточные отверстия, чтобы ограничить смешивание приточного воздуха с воздухом помещения до уровня чуть ниже высоты дыхания в помещении. Выше этой высоты может возникать стратифицированный и более загрязненный воздух. Воздух, которым дышит пассажир, будет иметь более низкую концентрацию загрязняющих веществ по сравнению с обычными однородно смешанными системами. [7]
Теоретическое поведение систем UFAD основано на теории шлейфа для систем DV . По сравнению с классическими системами вытесняющей вентиляции (ДВ) [8] которые подают воздух с низкой скоростью, типичные системы UFAD подают воздух через напольные диффузоры с более высокими скоростями приточного воздуха. Помимо увеличения количества смешивания (и, следовательно, потенциального снижения эффективности вентиляции по сравнению с системами DV), эти более мощные приточные кондиционеры могут оказывать существенное влияние на стратификацию воздуха в помещении и тепловой комфорт в зоне присутствия людей. Следовательно, контроль и оптимизация этого расслоения имеют решающее значение для проектирования и определения размеров системы, энергоэффективной работы и комфортной работы систем UFAD. [9]
На эффективность вентиляции систем UFAD влияют многие факторы, в том числе высота потолка, характеристики диффузора, количество диффузоров, температура приточного воздуха, общий расход, холодильная нагрузка и режим кондиционирования. [10] Было показано, что вихревые диффузоры и диффузоры с перфорированными напольными панелями создают низкую скорость воздуха в зоне присутствия людей, в то время как линейные диффузоры создают самую высокую скорость в зоне присутствия людей, нарушая тепловую стратификацию и создавая потенциальный риск сквозняка. [10] Кроме того, напольные диффузоры добавляют элемент личного контроля в пределах досягаемости пассажира, поскольку пользователи могут регулировать количество воздуха, подаваемого диффузором, вращая верхнюю часть диффузора.
Характеристики применения
[ редактировать ]Холодильная нагрузка УФАД
[ редактировать ]
Профили охлаждающей нагрузки для систем UFAD и подвесных систем различны. [11] главным образом из-за эффекта аккумулирования тепла более легких панелей фальшпола по сравнению с более тяжелой массой структурной плиты перекрытия. Само наличие фальшпола снижает способность плиты сохранять тепло, тем самым создавая для системы с фальшполом более высокие пиковые нагрузки охлаждения по сравнению с системой без фальшпола. В системе OH, особенно в зонах по периметру, часть поступающего солнечного тепла сохраняется в плите перекрытия в течение дня, тем самым снижая пиковую нагрузку на охлаждение зоны, и высвобождается ночью, когда система выключена. В системе UFAD наличие фальшпола превращает поглощающую солнечную энергию массивную плиту перекрытия в более легкий материал, что приводит к относительно более высоким пиковым нагрузкам на охлаждение в зоне. [4] Исследование моделирования, основанное на расчетах EnergyPlus, показало, что, как правило, пиковая охлаждающая нагрузка UFAD на 19% выше, чем нагрузка верхнего охлаждения, и 22% и 37% общей охлаждающей нагрузки зоны UFAD поступает в приточную камеру по периметру и внутри. соответственно. [12]
Центр искусственной среды разработал новый индекс коэффициента охлаждающей нагрузки UFAD (UCLR), который определяется отношением пиковой охлаждающей нагрузки, рассчитанной для UFAD, к пиковой охлаждающей нагрузке, рассчитанной для хорошо смешанной системы, для расчета охлаждающей нагрузки UFAD. для каждой зоны с традиционной пиковой холодильной нагрузкой потолочной (хорошо смешанной) системы. UCLR определяется типом зоны, уровнем пола и ориентацией зоны. Доля приточной камеры (SPF), зона зоны (ZF) и доля обратной камеры (RPF) рассчитываются аналогично для расчета охлаждающей нагрузки приточной камеры, зоны и возвратной камеры. [11]
Инструменты проектирования UFAD для требований к зональному воздушному потоку
[ редактировать ]Существует два доступных инструмента проектирования для определения требований к скорости воздушного потока в зонах для системы UFAD, один из них разработан в Университете Пердью в рамках исследовательского проекта ASHRAE (RP-1522). [13] Другой разработан в Центре искусственной среды (CBE) Калифорнийского университета в Беркли .
Исследовательский проект ASHRAE (RP-1522) разработал упрощенный инструмент, который прогнозирует разницу температур по вертикали между головой и лодыжками пассажиров, скорость потока приточного воздуха для одной зоны приточной камеры, количество диффузоров и эффективность распределения воздуха. Инструмент требует от пользователей указать зональную охлаждающую нагрузку и долю охлаждающей нагрузки, назначенную на вентиляционную камеру под полом. Также требуется, чтобы пользователи вводили температуру приточного воздуха либо в диффузоре, либо в воздуховоде, но с соотношением расхода приточного воздуха к зональному расходу приточного воздуха. Инструмент позволяет пользователям выбирать из трех типов диффузоров и применим к семи типам зданий, включая офис, класс, мастерскую, ресторан, розничный магазин, конференц-зал и аудиторию. [7] [14]
Инструмент проектирования CBE UFAD, основанный на обширных исследованиях, способен прогнозировать охлаждающую нагрузку для системы UFAD, вводя расчетную охлаждающую нагрузку, рассчитанную для того же здания с воздушной системой. С помощью системы UFAD он также прогнозирует скорость воздушного потока, стратификацию температуры в помещении и прирост температуры в приточной камере как для внутренних, так и для периметральных зон типичных многоэтажных офисных зданий. Инструмент CBE позволяет пользователю выбирать одну из четырех различных конфигураций статической камеры (последовательная, обратная серия, независимая и общая) и трех напольных диффузоров (вихревая, квадратная и линейная решетчатая решетка). Онлайн-версия инструмента проектирования общедоступна в Центре искусственной среды .
Повышение температуры воздуха в камере сгорания
[ редактировать ]
Повышение температуры приточного воздуха в камере сгорания — это увеличение количества кондиционированного воздуха из-за конвективного притока тепла при его прохождении через приточную камеру под полом от входного отверстия камеры к напольным диффузорам. [15] Это явление еще называют тепловым распадом. Повышение температуры воздуха в приточной камере вызвано контактом холодного приточного воздуха с более теплыми, чем воздух, бетонными плитами и фальшполом. Согласно исследованию моделирования, повышение температуры воздуха может быть весьма значительным (до 5 °C или 9 °F), и, следовательно, по сравнению с идеализированным смоделированным случаем UFAD без повышения температуры воздуха, повышенная температура воздуха в диффузоре может привести к увеличению подачи. расход воздуха и повышенное энергопотребление вентиляторов и чиллеров. В том же исследовании установлено, что повышение температуры воздуха летом выше, чем зимой, и это также зависит от климата. [15] Первый этаж с плитой на уровне пола имеет меньший рост температуры по сравнению со средним и верхним этажами, а повышение температуры приточного воздуха приводит к уменьшению повышения температуры. На повышение температуры существенно не влияют ориентация зоны по периметру, внутренний приток тепла и соотношение площади окна к стене. [15] Таким образом, повышение температуры приточного воздуха влияет на потенциал энергосбережения систем UFAD и их способность удовлетворять потребности в охлаждении при температурах приточного воздуха выше, чем в обычных верхних системах. Текущие исследования показывают, что как энергетические, так и тепловые характеристики могут быть улучшены в системах UFAD за счет направления воздуха в зоны по периметру, где нагрузки, как правило, самые большие. [15] Критики, однако, предполагают, что такие воздуховоды под полом уменьшают преимущества наличия пространства с низким давлением, а также усложняют проектирование и установку при установке воздуховодов между опорами напольной плитки.
Утечка воздуха в камерах UFAD
[ редактировать ]
Утечка в приточных камерах UFAD может быть основной причиной неэффективности системы UFAD. Существует два типа утечек — утечка в пространство и утечка в пути, обходящие пространство. Первая категория утечек не приводит к потерям энергии, поскольку воздух попадает в зону, которую он предназначен для охлаждения. Вторая категория утечек увеличивает энергию вентилятора для поддержания постоянного давления в камере сгорания, что приводит к увеличению энергопотребления. На этапе строительства систем UFAD необходимо уделить особое внимание обеспечению хорошей герметизации пленума. [7]
УФАД и энергетика
[ редактировать ]Энергетическая оценка систем UFAD не была обширной, но некоторые исследования указывают на потенциальную экономию энергии за счет более низкого перепада давления и более низкой скорости воздушного потока. Типичное давление в камере сгорания составляет 25 паскалей (0,0036 фунтов на квадратный дюйм) (0,1 дюйма водного столба) или меньше. [7] UFAD особенно подходит для зданий с высокими потолками, где эффект энергосбережения более выражен из-за термического расслоения. [16] Поскольку UFAD осуществляется путем подачи воздуха через фальшпол с использованием различных типов конфигураций распределения и выпускных отверстий, ключевым вопросом эффективной работы системы является обеспечение термической стратификации. Неэффективная работа системы UFAD фактически снизила потенциальную экономию, предполагавшуюся от такой системы. [17] Кроме того, исследование энергосбережения показало, что эта сумма варьируется для зданий, расположенных в разных климатических условиях, что позволяет предположить, что дальнейшие исследования должны изучить этот фактор, прежде чем проектировать подходящую систему HVAC.
Приложения
[ редактировать ]Распределение воздуха под полом часто используется в офисных зданиях , особенно в офисах с высокой степенью реконфигурации и открытой планировки, где фальшполы желательны для прокладки кабелей. UFAD также распространен в командных центрах , ИТ центрах обработки данных и серверных помещениях , где наблюдается большая охлаждающая нагрузка от электронного оборудования и требования к прокладке кабелей питания и передачи данных. использования В Руководстве по проектированию распределения воздуха под полом ASHRAE предлагается, чтобы любое здание, рассматривающее возможность фальшпола для распределения кабеля, должно рассмотреть возможность UFAD. [7]
При использовании систем UFAD в лабораториях следует учитывать особые требования к пространству из-за критических требований к герметизации помещения и потенциальной миграции химикатов в камеру пола доступа из-за разлива. Системы UFAD не рекомендуется использовать в некоторых конкретных объектах или помещениях, таких как небольшие нежилые здания, влажные помещения, такие как туалеты и бассейны, кухни, столовые и спортивные залы, поскольку UFAD может привести к особенно сложным или дорогостоящим проектам. Системы UFAD также можно использовать с другими системами отопления, вентиляции и кондиционирования, такими как вытесняющая вентиляция, системы верхнего распределения воздуха, системы лучистого потолка или системы охлаждающих балок, для повышения производительности. [7]
УФАД по сравнению с другими системами дистрибуции
[ редактировать ]Накладные расходы (смешивание)
[ редактировать ]Обычные потолочные смесительные системы обычно располагают как приточные, так и возвратные воздуховоды на уровне потолка. Приточный воздух подается со скоростью выше, чем обычно приемлемо для комфорта человека, а температура воздуха может быть ниже, выше или такой же, как желаемая температура в помещении, в зависимости от нагрузки на охлаждение/отопление. Высокоскоростные турбулентные струи поступающего приточного воздуха смешиваются с воздухом помещения.
Хорошо спроектированные системы UFAD имеют несколько потенциальных преимуществ перед традиционными подвесными системами, таких как гибкость планировки, улучшенный тепловой комфорт, улучшенная эффективность вентиляции и качество воздуха в помещении, улучшенная энергоэффективность в подходящих климатических условиях и снижение затрат на жизненный цикл. [15] [18]
Вытесняющая вентиляция
[ редактировать ]Системы вытесняющей вентиляции (DV) работают по тем же принципам, что и системы UFAD. Системы DV подают прохладный воздух в кондиционируемое помещение на уровне пола или около него и возвращают воздух на уровне потолка. Это работает за счет использования естественной плавучести теплого воздуха и тепловых шлейфов, создаваемых источниками тепла, поскольку более холодный воздух доставляется с более низких высот. Несмотря на то, что UFAD аналогичен, он имеет тенденцию поощрять большее перемешивание внутри оккупированной зоны и обеспечивать местную подачу воздуха, что позволяет ему увеличивать движение воздуха в пространстве и предотвращать ощущение застойного воздуха, часто связанного с плохим качеством воздуха. Основные практические различия заключаются в том, что в UFAD воздух подается с более высокой скоростью через приточные отверстия меньшего размера, чем в DV, и приточные отверстия обычно контролируются жильцами. [7]
Список известных зданий, использующих системы UFAD
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б Бауман, Фред С.; Дейли, Аллан (2003). Руководство по проектированию распределения воздуха под полом (UFAD) . Американское общество инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха. ISBN 978-1-931862-21-9 . OCLC 54615153 .
- ^ Чжан, Кай; Чжан, Сяосун; Ли, Шухун; Цзинь, Син (01 декабря 2014 г.). «Обзор технологии распределения воздуха внутри пола» . Энергия и здания . 85 : 180–186. дои : 10.1016/j.enbuild.2014.09.011 . ISSN 0378-7788 .
- ^ Бауман, Фред; Вебстер, Том (июнь 2001 г.). «Отверстие распределения воздуха под полом». Журнал ASHRAE . 43 (6).
- ^ Перейти обратно: а б с Группа технических ресурсов ASHRAE по проектированию воздушных полов (2013 г.). РУКОВОДСТВО UFAD Проектирование, строительство и эксплуатация систем распределения воздуха под полом . У. Стивен Комсток. ISBN 978-1-936504-49-7 .
- ^ Ханзава, Х.; Хигучи, М. (1996), «Распределение воздушного потока в воздухораспределительной камере под полом низкой высоты системы кондиционирования», AIJ Journal of Technology and Design , 3 : 200–205, doi : 10.3130/aijt.2.200
- ^ Бауман, Фред; Пекора, Паоло; Вебстер, Том (1999), Как низко ты можешь опуститься? Характеристики воздушного потока в камерах низкой высоты под полом , Центр искусственной среды, Калифорнийский университет в Беркли.
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я Бауман, Фред; Дейли, Аллан (2003), «Руководство по проектированию распределения воздуха под полом», ASHRAF
- ^ Перейти обратно: а б с Нильсен, П.В. (1996), «Вытесняющая вентиляция – теория и проектирование», U , U9513, факультет строительных технологий и проектирования конструкций, Ольборгский университет, ISSN 0902-8005
- ^ Вебстер, Т.; Бауман, Фред; Риз, Дж. (2002). «Распределение воздуха под полом: термическая стратификация» . Журнал ASHRAE . 44 (5).
- ^ Перейти обратно: а б Ли, Канзас; Цзян, З.; Чен, К. (2009), «Эффективность воздухораспределения при послойном распределении воздуха», ASHRAE Transactions , 115 (2)
- ^ Перейти обратно: а б Скьявон, Стефано; Ли, Кван Хо; Бауман, Фред; Вебстер, Том (февраль – март 2011 г.). «Упрощенный метод расчета расчетных холодильных нагрузок в системах распределения воздуха под полом (UFAD)» . Энергия и здания . 43 (2–3): 517–528. дои : 10.1016/j.enbuild.2010.10.017 .
- ^ Скьявон, Стефано; Ли, Кван Хо; Бауман, Фред; Вебстер, Том (2011), «Упрощенный метод расчета расчетных холодильных нагрузок в системах распределения воздуха под полом (UFAD)» , Energy and Buildings , 43 (2): 517–528, doi : 10.1016/j.enbuild.2010.10.017
- ^ Ли, Кисуп; Сюэ, Гуанцин (июнь 2012 г.). «Разработка процедур проектирования для прогнозирования требований к воздушному потоку в помещениях с частично смешанными системами распределения воздуха». Отчет исследовательского проекта ASHRAE RP-1522 .
- ^ Сюэ, Гуанцин; Ли, Кисуп; Цзян, Чжэн; Чен, Цинъянь (2012). «Тепловая среда в помещениях с подпольными системами воздухораспределения: Часть 2. Определение расчетных параметров (1522-РП)». Исследование HVAC&R . 18 (6): 1192–1201. дои : 10.1080/10789669.2012.710058 . S2CID 15848165 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и Кван Хо, Ли; Стефано Скьявон; Фред Бауман; Том Вебстер (2012). «Термический распад в системах распределения воздуха под полом (UFAD): основы и влияние на производительность системы» . Прикладная энергетика . 91 (1): 197–207. дои : 10.1016/j.apenergy.2011.09.011 . S2CID 54035654 .
- ^ Рафтери, Пол; Бауман, Фред; Скьявон, Стефано; Эпп, Том (2015). «Лабораторные испытания вытесняющего вентиляционного диффузора для напольных систем распределения воздуха» . Энергия и здания . 108 : 82–91. дои : 10.1016/j.enbuild.2015.09.005 .
- ^ Алажми, Али Ф.; Абу-Зиян, Хосни З.; Эль-Амер, Вид (01 сентября 2013 г.). «Энергетический анализ системы распределения воздуха под полом (UFAD): пример офисного здания» . Преобразование энергии и управление . 73 : 78–85. дои : 10.1016/j.enconman.2013.04.003 . ISSN 0196-8904 .
- ^ «Обзор технологий UFAD» . Центр искусственной среды . Проверено 27 ноября 2013 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Слайды с семинара Центра искусственной среды об УФАД.
- Центр искусственной среды (CBE) Калифорнийского университета в Беркли. http://www.cbe.berkeley.edu/
Профессиональные и торговые группы, которые обеспечивают финансирование исследований и публикуют стандарты или руководства относительно систем UFAD, включают:
- Американское общество инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха (ASHRAE) http://www.ashrae.org/
- Институт технологий кондиционирования и холодоснабжения (АРТИ)
- Институт кондиционирования, отопления и охлаждения (AHRI) http://www.ahrinet.org/