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 зону присутствия (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 делит 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 желательны фальшполы 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 здание New York Times , Bank of America Tower и San Федеральное здание Франциско . На этапе строительства систем UFAD необходимо уделить особое внимание обеспечению хорошей герметизации пленума во избежание утечки воздуха в приточных камерах UFAD.
В системах UFAD используются кондиционеры, которые фильтруют и кондиционируют воздух до соответствующих условий подачи, чтобы его можно было доставить в зону присутствия людей. В то время как в подвесных системах для распределения воздуха обычно используются воздуховоды , 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] В качестве выходов подачи используются напольные диффузоры специальной конструкции . [4] Наиболее распространенная конфигурация UFAD состоит из центральной установки обработки воздуха, подающей воздух через камеру под давлением и 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]
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 используется преимущественно в условиях охлаждения. [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 источниками 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 (DV) [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 системы приточного воздуха могут оказывать существенное влияние на стратификацию воздуха в помещении и тепловой комфорт в зоне присутствия людей. Таким образом, 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 индивидуального контроля в пределах досягаемости пассажира, поскольку пользователи могут регулировать количество воздуха, подаваемого диффузором, вращая верхнюю часть диффузора.
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 несущей 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 холодильная нагрузка UFAD на 19 % выше, чем нагрузка верхнего охлаждения, и 22 % и 37 % общей охлаждающей нагрузки зоны UFAD приходится на приточную камеру по периметру. и интерьер 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]
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. Это также требует от пользователей ввода температуры приточного воздуха либо в диффузоре, либо в воздуховоде, но с указанием отношения 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 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 также 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. скорость воздушного потока и повышенное потребление энергии вентилятором и чиллером. 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 земли имеет меньший рост температуры по сравнению со средним и верхним этажами, а увеличение температуры приточного воздуха приводит к снижению 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 требования к охлаждению 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 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]
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.
Распределение воздуха под полом часто используется в офисных зданиях , особенно в офисах с высокой степенью реконфигурации и открытой планировки, где желательны фальшполы для прокладки кабелей. UFAD также распространен в командных центрах , центрах обработки данных ИТ и серверных помещениях , где наблюдается большая охлаждающая нагрузка от электронного оборудования и требования к прокладке кабелей питания и передачи данных. В Руководстве по проектированию распределения воздуха под полом ASHRAE предлагается, чтобы любое здание, рассматривающее возможность использования 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]
Обычные потолочные смесительные системы обычно располагают как приточные, так и возвратные воздуховоды на уровне потолка. Приточный воздух подается со скоростью, превышающей обычно приемлемую для комфорта человека, и 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]
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]
Профессиональные и торговые группы, которые обеспечивают финансирование исследований и публикуют стандарты или руководства относительно систем UFAD, включают: