УДК 621

Конструктивные особенности и принцип работы установок вентиляции и кондиционирования воздуха для чистых помещений

Вьюнов Дмитрий Андреевич – студент Владимирского государственного университета имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых.

Угорова Светлана Вениаминовна – кандидат технических наук, зав. кафедрой Теплогазоснабжения, вентиляции и гидравлики Владимирского государственного университета имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых.

Аннотация: В статье рассматриваются схемы установок вентиляции и кондиционирования воздуха для чистых помещений: прямоточная; с первой рециркуляцией; с первой и второй рециркуляцией; с рециркуляционной воздушной установкой; с промежуточным теплообменником; с пластинчатым рекуператором. Производится анализ достоинств и недостатков, а также рассматривается принцип работы данных установок вентиляции и кондиционирования воздуха, как в теплый, так и в холодный периоды.

Ключевые слова: Чистое помещение, вентиляция, кондиционирования, установки.

Чистое помещение представляет собой помещение, в котором контролируется счётная концентрация аэрозольных (взвешенных в воздухе) частиц.[3]

Частицы загрязнения распространяются людьми, процессами, сооружением и оборудованием. Их необходимо постоянно удалять из воздуха.

Необходимо обеспечить гигиеническое качество и поддержание необходимой степени чистоты воздуха помещении.

В чистых помещениях применяется несколько типов установок вентиляции и кондиционирования воздуха, рассмотрим наиболее распространённые из них.

Наиболее простая система подачи приточного воздуха в чистое помещение – прямоточная установка вентиляции и кондиционирования.

Прямоточная установка вентиляции и кондиционирования (рисунок 1). [2]

Рисунок 1. Прямоточная установка вентиляции и кондиционирования воздуха.

1 – наружный воздух, 1' – подготовленный приточный воздух, 2 – воздушный клапан, 3 – первая ступень очистки, 4 –секция воздухонагревателя, 4' – секция воздухонагревателя, 5 – секция охлаждения, 6 – секция парового увлажнения, 6' - парогенератор, 6'' – трубка – штанга, 7 – вентилятор, 8 – вторая ступень фильтрации, 9 – третья ступень фильтрации, 10 – шумоглушитель.

Данная приточная установка аналогична системам применяемых в административно – бытовых зданиях за исключением нескольких отличий:

Использование многоступенчатой системы фильтров более высокой степени очистки (8, 9);
Использование дополнительной секции нагрева (4');
Использовании паровой секции увлажнения воздуха (6).
Для чистых помещений использование парового увлажнителя обусловлено рядом его особенностей:
Паровой увлажнения имеет более высокую точность поддержания влажности в чистом помещении, по сравнению с адиабатными увлажнителями;
Паровой увлажнитель обеспечивает высокое качество обрабатываемого воздуха, за счет того, что в паре нет микроорганизмов, что является несомненным плюсом при использовании в чистом помещении.

Принцип действия данной приточной установки, следующий:

Режим работы в теплый период (ТП)

Поток наружного теплого воздуха (1), проходит через воздушный клапан (2), далее направляется в первую ступень очистки (3), после чего происходит переохлаждения теплого приточного воздуха в секции водяного охлаждения (5), ниже температуры точки росы, в результате чего происходит не только охлаждения приточного воздуха, но и его осушения, так как воздух охлаждается ниже заданной температуры для чистого помещения, необходима дополнительно нагреть воздух до заданных параметров в секции воздухонагревателя (4'), после чего воздух проходит вторую (8) и третью (9) ступени фильтрации, а затем проходит через секцию шумоглушителя (10), после чего может быть подан в чистое помещение (1').

Режим работы в холодны период (ХП)

Поток наружного холодного воздуха (1), проходит через воздушный клапан (2), далее направляется в первую ступень очистки (3), после чего проходит нагрев и осушение, в секции воздухонагревателя (4), так как в холодный период влажность наружного воздуха недостаточная, а при нагрева происходит дополнительное осушение приточного воздуха, необходимо применить секцию парового увлажнения (6), в которой влажность доводится до требуемых значений, данная секция состоит из двух основных элементов из парогенератора (6') и трубки – штанги (6''), через которую осуществляется подача пара в приточную установку после чего воздух проходит вторую (8) и третью (9) ступени фильтрации, а затем проходит через секцию шумоглушителя (10), после чего может быть подан в чистое помещение (1').

С целью сократить затраты энергоресурсов, на подготовку приточного воздуха (охлаждения и нагрев), в установках применяются секции рециркуляции.

На рисунке 2, представлена установка вентиляции и кондиционирования воздуха с первой рециркуляцией [3]. При использовании данной конфигурации с секцией рециркуляции (11), нет необходимости использовать секцию дополнительного нагрева, так как происходит смешение рециркуляционного воздуха (12), с параметрами близкими к требуемым в чистом помещении, так же возможно производить регулировку количества как наружного воздуха (1), так и рециркуляционного (12), с помощью воздушных клапанов (2).

Рисунок 2. Установка вентиляции и кондиционирования воздуха с первой рециркуляцией.

На рисунке 3, представлена установка вентиляции и кондиционирования воздуха с первой и второй рециркуляцией.

Рисунок 3. Установка вентиляции и кондиционирования воздуха с первой и второй рециркуляцией.

Режим работы в теплый период (ТП)

Поток наружного теплого воздуха (1), проходит через воздушный клапан (2), так же происходит подмес, рециркуляционного воздуха в секции смешения (11), далее воздух направляется в первую ступень очистки (3), после чего происходит охлаждение приточного воздуха в секции водяного охлаждения (5), так как рециркуляционный воздух (12), близок по своим параметрам, к воздуху в чистом помещении, то затраты на охлаждение / осушение воздуха требуется гораздо меньше, так же после подготовки воздуха в секции охлаждения (5), воздух проходит через вторую секцию рециркуляции (11'), что позволяет не использовать секцию нагрева в теплый период года, после чего воздух проходит вторую (8) и третью (9) ступени фильтрации, а затем проходит через секцию шумоглушителя (10), после чего может быть подан в чистое помещение (1').

Режим работы в холодны период (ХП)

Поток наружного холодного воздуха (1), проходит через воздушный клапан (2), так же происходит подмес, рециркуляционного воздуха в секции смешения (11), далее воздух направляется в первую ступень очистки (3), после чего воздух проходит через вторую секцию смешения (11'), что позволяет снизить затраты на нагрев в секции воздухонагревателя (4), так как в холодный период влажность наружного воздуха недостаточная, а при нагрева происходит дополнительное осушение приточного воздуха, необходимо применить секцию парового увлажнения (6), в которой влажность доводится до требуемых значений, данная секция состоит из двух основных элементов из парогенератора (6') и трубки – штанги (6''), через которую осуществляется подача пара в приточную установку после чего воздух проходит вторую (8) и третью (9) ступени фильтрации, а затем проходит через секцию шумоглушителя (10), после чего может быть подан в чистое помещение (1').

На рисунке 4, представлена схема установки вентиляции и кондиционирования воздуха, с рециркуляционной установкой, отличие данной схемы установки, от схем с рециркуляцией, представленных на рисунках 2, 3, заключается в том, что процесс подготовки приточного воздуха осуществляется в двух установках.

Режим работы в теплый период (ТП)

Поток наружного теплого воздуха (1), проходит через воздушный клапан (2), далее воздух направляется в первую ступень очистки (3), после чего происходит охлаждение приточного воздуха в секции водяного охлаждения (5), ниже температуры точки росы, в результате чего происходит не только охлаждения приточного воздуха, но и его осушения, так как воздух охлаждается ниже заданной температуры для чистого помещения, необходима дополнительно нагреть воздух до заданных параметров, после чего воздух проходит вторую (8) ступень фильтрации в фильтре тонкой очистки(8), а затем проходит через секцию шумоглушителя (10), после чего воздух направляется в рецуркуляционную установку, в секцию смешения (11), где происходит смешения, рециркуляционного воздуха (12), с подготовленным воздухом (1'), далее воздух дополнительно охлаждается и проходит третью ступень фильтрации в фильтре сверхвысокой очистки (9), затем проходит через секцию шумоглушителя (10) и может быть подан в чистое помещение (1'').

Главное преимущество данной схемы, заключается в том, что как правило объем наружного воздуха необходимый для подачи в чистой помещений достаточно мал 10-20%, в результате этого размер приточной установки кондиционирования воздуха, а так же всех ее составляющих, секции фильтров (3, 8), секции охлаждения (5), секции воздухонагревателя (4), секция парового увлажнения (6), вентилятор (7), значительно уменьшиться.

Рисунок 4. Установка вентиляции и кондиционирования воздуха с рециркуляционной воздушной установкой.

1 – наружный воздух, 1' – наружный воздух прошедший первичную, 1'' – подготовленный приточный воздух, 2 – воздушный клапан, 3 – первая ступень очистки, 4 –секция воздухонагревателя, 5 – секция охлаждения в установке вентиляции и конлициионирования воздуха, 5' – секция охлаждения в рециркуляционной установке, 6 – секция парового увлажнения, 6' - парогенератор, 6'' – трубка – штанга, 7 – вентилятор, 8 – вторая ступень фильтрации, 9 – третья ступень фильтрации, 10 – шумоглушитель.

11 – секция рециркуляции, 12 – рециркуляционный воздух.

На рисунке 5 предоставлена установка с промежуточным теплообменником, данная установка аналогична прямоточной установки представленном на рисунке 12, отличие данной схемы заключается в наличии промежуточных теплообменников (4, 4''), которые соединены между собой дополнительным гидравлическом контуром.

В качестве теплоносителя, как правило (в условиях климата на территории России) применяется 40 % раствор пропиленгликоля, так же в качестве теплоносителя может применяться и вода, но это грозит разрывом теплообменников в холодный период года.

Данная схема имеет ряд преимуществ:

Исключено смешения вытяжного и приточного воздуха, так как приточная и вытяжная часть изолированы;
Возможность расположить вытяжную установку независимо от приточной, что позволяет обеспечить более рациональную трассировку воздуховодов;
Сокращение затрат на нагрев приточного воздуха в холодный и теплый период.
Так же данная схема имеет и свои недостатки:
Увеличение капитальных затрат, из-за добавление дополнительных теплообменников и гидравлического контура;
Дополнительное тех обслуживание, из-за добавления дополнительного гидравлического контура.

Режим работы данной приточно – вытяжной установки аналогичен режиму работы прямоточной установки представленной на рисунке 4, за исключением того что, вытяжной воздух (1'') с параметрами близкими к требуемым параметрам в чистом помещении, проходит через промежуточный теплообменник (4''), в нем происходит процесс передачи теплоты от вытяжного воздуха к приточному с помощью теплоносителя, который в свою очередь проходит по трубопроводам (13), к промежуточному теплообменнику (4), который в холодный период выступает в качестве первой ступени нагрева, и позволяет снизить тепловую мощность секция воздухонагревателя (4'), а в теплый период позволяет исключить работы секция воздухонагревателя (4').

Рисунок 5. Приточно – вытяжная установка вентиляции и кондиционирования воздуха с промежуточным теплообменником.

1 – наружный воздух, 1' – подготовленный приточный воздух, 1'' – вытяжной воздух, 2 – воздушный клапан, 3 – первая ступень очистки, 4 – секция промежуточного теплообменника (приток), 4' – секция воздухонагревателя, 4'' – секция промежуточного теплообменника (вытяжка), 5 – секция охлаждения, 6 – секция парового увлажнения, 6' - парогенератор, 6'' – трубка – штанга, 7 – вентилятор, 8 – вторая ступень фильтрации, 9 – третья ступень фильтрации, 10 – шумоглушитель, 11 – трехходовой клапан, 12 – циркуляционный насос, 13 – трубопроводы.

На рисунке 6 представлена приточно – вытяжная установка вентиляции и кондиционирования воздуха с пластинчатым рекуператором (11). В данной установке так же происходит процесс передачи тепла от вытяжного воздуха к приточному, с помощью установки пластинчатого рекуператора.

Использование данной схемы, как правило более выгодно по сравнению со схемой, представленной на рисунке 5, потому что:

Простота конструкции, а также и обслуживания;
Более низкие капитальные затраты;
Более эффективное использование теплоты удаляемого воздуха, из – за того, что все элементы конструкции находятся в одной корпусе, и изолированы от окружающей среды;
Так же данная схема имеет и свои недостатки:
Возможность обмерзания рекуператора при низких температурах уличного воздуха;
Расположение приточной и вытяжной части в едином корпусе – увеличение габаритов;
Возможность небольшого подмеса вытяжного воздуха в приточной.

Рисунок 6. Приточно – вытяжная установка вентиляции и кондиционирования воздуха с пластинчатым рекуператором.

1 – наружный воздух, 1' – подготовленный приточный воздух, 1'' – вытяжной воздух, 2 – воздушный клапан, 3 – первая ступень очистки, 4 – секция промежуточного теплообменника (приток), 4' – секция воздухонагревателя, 4'' – секция промежуточного теплообменника (вытяжка), 5 – секция охлаждения, 6 – секция парового увлажнения, 6' - парогенератор, 6'' – трубка – штанга, 7 вентилятор, 8 – вторая ступень фильтрации, 9 – третья ступень фильтрации, 10 – шумоглушитель, 11 – пластинчатый рекуператор.

В результате анализа конструктивных особенностей и принципа работы установок вентиляции кондиционирования следует:

Для увлажнения воздуха в установках вентиляции и кондиционирования воздуха следует принимать паровые увлажнители, так как данный тип увлажнения воздуха более гигиеничен, что крайне важно для чистых помещений;
Применение рециркуляции гораздо эффективнее разного вида теплоутилизаторов, но в чистых помещениях не всегда возможно применение данной схемы (рисунок 2 – 4), так как при работе с особо опасными веществами, рециркуляция недопустима.

Список литературы

СП 60.13330.2016 Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха. Актуализированная редакция СНиП 41-01-2003;
ГОСТ Р 56640-2015 Чистые помещения. Проектирование и монтаж. Общие требования
ГОСТ Р ИСО 14644-1-2017 Чистые помещения и связанные с ними контролируемые среды. Часть 1. Классификация чистоты воздуха по концентрации частиц;
Богословский, В. Н. Внутренние санитарно-технические устройства. Изд. 2-е перераб. и доп. Ч.2. Вентиляция и кондиционирование воздуха / В. Н. Богословский, И. А. Шепелев, В. М. Эльтерман; под общ. ред. Староверова. — М.: Стройиздат, 1977. – 502 с.
Федотова А.Е., Чистые помещения. Изд. 2-е перераб. и доп. М., АСИНКОМ, 2003. - 576 с.