Упрощенно об основных проблемах систем вентиляции и способах их устранения

Если рассматривать вентиляцию на промышленных, коммерческих, инфраструктурных объектах, то технически некорректное (неточное или безграмотное) проектирование топологии, компоновки, а также неправильный выбор компонентов, монтаж и эксплуатация систем вентиляции оказывают негативное, часто критическое влияние на:

• микроклимат и качество воздуха, от которых зависит здоровье (и работоспособность) людей;
• энергопотребление, а часто и саму возможность проведения тех или иных организационных, производственных и/или технологических процессов, качество продукции/услуг и окружающую среду через повышение рисков аварийных ситуаций с пожарами, засорением атмосферы и почвы.

В свою очередь, неправильный выбор вентиляторов (по типу, электродвигателю, приводу), а также конструктивно-технических решений для дросселирования (ограничения, регулирования) воздушного потока (шиберов, клапанов, воздушных заслонок, в том числе с приводами):

• усугубляет ошибки проектирования (при их наличии) и вносит свои негативы в эксплуатацию вентиляционных систем;
• обусловлен желанием проектировщиков превентивно компенсировать возможные потери в воздуховодах реальной системы после монтажа мощностью вентилятора, а часто – недопониманием основных принципов работы вентиляторов, приводов, заслонок, воздуховодов, ответвлений, фильтров и т.д., и самой системы вентиляции в целом.

Поэтому в материале ниже максимально возможно упрощенно и «доступным языком» для неспециалистов в этой области описаны базовые принципы работы и проблемы эксплуатации компонентов и систем вентиляции. Причем для исключения недопонимания из-за технически некорректного, часто абсолютно безграмотного, противоречащего логике и здравому смыслу «сленга», популярного в описаниях систем вентиляции в Рунете, материал (по возможности) подан в терминологии, которая формализована в нормативно-правовой базе нашей страны.

Что такое система вентиляции и основные отличия систем для промышленных, коммерческих, инфраструктурных объектов.

Система вентиляции – сеть воздуховодов (трубы, ответвления, повороты) с воздухоприемником (п. 2.23 ГОСТ 22270-2018), включающим воздушные заслонки и фильтр (1 на рис. ниже), часто теплообменником и выходными диффузорами (6 и 7 на рис. ниже), в которой транспорт воздуха осуществляется вентилятором, как правило центробежного типа радиальным (в терминологии ГОСТ 34002-2016) с электродвигателем, частотным преобразователем и контроллером (соответственно 3, 4, 5 на рис. ниже).

Здесь важно понять, что:

• сегодня во всех развитых странах мира, в том числе и у нас, переходят на системы с переменным расходом воздуха (Variable Air Volume, VAV), в которых регулирование расхода осуществляется:
  - изменением скорости вращения вентилятора с помощью комплектных преобразователей электропривода переменного тока с регулируемой скоростью (см. подробнее в этом материале);
  - дросселированием управляемыми программно-логическими контроллерами (ПЛК) через привод воздушными заслонками на входе и/или выходе в систему (запорно-регулирующая арматура по п. 2.44 и дроссель-клапан по п. 2.51.2 ГОСТ 22270-2018);
  - изменением угла установки лопаток рабочего колеса или скорости вращения многоскоростного двигателя;
  - комбинацией этих способов (как правило, и дросселированием, и регулированием частотой вращения);
• система общеобменной вентиляции, как и вентиляторы общего назначения (п. 3.7.1 ГОСТ 34002-2016 и целевой ГОСТ 5976-2020 по радиальным вентиляторам общего назначения) используется транспорта неагрессивного (без вредных, токсичных, горючих, взрывоопасных примесей) воздуха практически без пыли (не более 100 мг/м3);
• для различных производственных, технологических процессов необходимо подбирать соответствующие вентиляторы специального назначения (теплостойкие, дымоудаления, для влажных газов, пылевые, герметичные, коррозионностойкие, взрывозащищенные и т.д. – см. ГОСТ 34002-2016) и, соответственно, компоненты сети, включая диффузоры (противопожарные заслонки, клапаны дымоудаления и пр.);
• аэродинамические характеристики и классы энергоэффективности радиальных вентиляторов общего назначения определены в ГОСТ 5976-2020, промышленных – в ГОСТ 31961-2012, акустические (шумовые) характеристики и базовые формулы расчета основных параметров – в ГОСТ 10616-2015;
• введение в ГОСТ 34002-2016, являющийся рецепцией ISO 13349, своих терминов (канальные, крышные вентиляторы, «вентилятор - свободное колесо» и т.д.) возможно и оправдано, но осложняет проблему выбора оборудования неспециалистами.

Следует помнить, что в системах вентиляции промышленных, коммерческих, инфраструктурных объектов в основном используются радиальные вентиляторы, их модификации в виде диагональных, а в единичных случаях для специальных целей - диаметральные (с тем же принципом передачи энергии центробежными силами при вращении рабочего колеса) или осевые вентиляторы.

• регулирование скорости вращения вентилятора приводами с частотными преобразователями и/или дросселированием воздушными заслонками позволяет не только снизить мощность и ток при запуске, но и оптимизировать работу системы в реальных условиях эксплуатации, когда сопротивление воздушному потоку в воздуховодах изменяется из-за колебаний температуры, влажности, негерметичности сборки, подпора на входе, выходе, засоренности воздуха и трубопроводов, отводов и т.д.;
• оптимальный режим работы вентилятора в рабочей точке, где пересекаются кривые зависимости давления от объемного расхода (производительность по п. 3.2.2 ГОСТ 10616-2015, п. 3.2.1 ГОСТ 31961-2012) и вентилятора, и сети воздуховодов, поскольку именно здесь электродвигатель потребляет минимальную мощность, а КПД системы самый высокий (см. рис. ниже).
  
  
  Рис. Рабочая точка (РТ) на пересечении зависимости давления (Р) от объемного расхода (Q) вентилятора (1) и сети воздуховодов (2) (слева), и совмещенные с рабочей точкой графики зависимостей мощности (N) и КПД вентилятора (справа).

Упрощенно об основных проблемах систем вентиляции и способах их устранения.

Упрощенно из основных проблем эксплуатации систем вентиляции можно выделить следующие:

• высокая нагрузка на привод с электродвигателем при запуске вентилятора.

В момент запуска и до выхода на номинальную скорость вентилятору (упрощенно) нужно преодолеть инерцию рабочего колеса (и привода), силы трения и сопротивления воздуховодов. Ситуация осложняется тем, что самому электродвигателю при запуске для создания электромагнитных полей в обмотке необходима значительная (в сравнении с рабочим режимом) реактивная энергия и это обуславливает скачкообразное повышение потребности в мощности с токами, превышающими номинальные в несколько раз.

В итоге – провал напряжения, нестабильная работа двигателя и привода, вибрации и шум в вентиляторе, но эти проблемы можно решить регулированием частоты вращения вала двигателя частотным преобразователем и/или дросселированием (полностью закрытой на старте выпускной заслонкой-клапаном с постепенным открыванием по мере набора скорости).

• колебания нагрузки на привод с электродвигателем при эксплуатации.

Эти колебания могут быть вызваны, как ухудшением состояния воздуховодов с увеличением сопротивлений в трубопроводе, фасонных частях (отводы, колена, сужения/расширения и т.д.), встроенных элементах (фильтрах, клапанах, диффузорах, теплообменниках и т.п.), так и изменениями физических характеристик воздушной среды (транспортируемой, включая воздух на входе и выходе).

Увеличение сопротивлений сети воздуховодов приводит к потере давления, необходимого для транспортировки нужного объема воздуха, что требует увеличения числа оборотов и мощности вентилятора, но этот процесс в большинстве случаев происходит медленно и при регулярном профессиональном обслуживании системы вентиляции в той или иной мере устраняется дол тех пор, пока аэродинамические характеристики вентилятора находятся в рабочем участке, где КПД не меньше 0.9 номинального значения.

Значительную неопределенность создают изменения физических характеристик воздушной среды, поскольку состав, а больше давление воздуха на входе и выходе могут создать эффект, как естественной тяги, так и подпора, что повлияет на характеристики вентилятора и положение рабочей точки.

В свою очередь, например, увеличение объемной доли пыли и/или повышение температуры воздуха в (условно) статичном объеме воздуховода приведет к повышению вязкости среды, сопротивления воздушному потоку, потере давления и, соответственно, необходимости увеличения скорости вращения и потребляемой мощности.

Такие проблемы несложно устраняются использованием автоматики – управляемых ПЛК задвижек-клапанов с приводами и/или частотных преобразователей, причем в системах промышленной вентиляции оптимальными для дросселирования будут задвижки-клапаны с обратной пружиной, которые при обесточивании блокируют доступ «нестандартной» (с дымом, пылью, горючими, вредными веществами и пр.) воздушной среды из помещения в систему вентиляции.