Расчет вентиляции производственного помещения

Вентиляционные системы на производстве — это сложные инженерные системы, обеспечивающие качественный воздухообмен в помещениях. Он зависит от точных математических расчетов, где допущение ошибок недопустимо. Нарушения при проектировании могут привести к недостаточной или избыточной циркуляции воздуха. В первом случае это приводит к застою и духоте, а во втором к сквознякам, потере тепла и риску простуды.

Для производственных объектов последствия еще более серьезны: от возможных штрафов надзорных органов до полной остановки производства.

Особенность вентиляции на производстве заключается в том, что она представляет собой комплексную систему инженерных решений, обеспечивающих непрерывную фильтрацию воздушных масс от вредных и токсичных компонентов и их качественную циркуляцию без нарушения технологического процесса.

Расчет системы вентиляции проводится исходя из выбранного типа и на основе нормативных документов. Основным нормативным документом, регулирующим требования к вентиляции производственных цехов, является СНиП 41-01-2003. Системы вентиляции делятся на два основных типа: естественные и механические.

Естественная вентиляция, в отличие от механической, основана на естественных факторах, таких как разница давлений и температур воздуха внутри и снаружи помещения. Это позволяет сэкономить на оборудовании и электропитании, что делает ее привлекательной в аспекте экономии.

Однако, естественная вентиляция не гарантирует стабильного воздухообмена из-за зависимости от погодных условий, что делает ее неэффективной в производственных помещениях. Ее мощность нельзя регулировать, что не позволяет точно контролировать уровень вентиляции или обслуживать конкретные зоны. Более того, она не способна обрабатывать и задерживать вредные вещества, что делает ее непригодной для помещений с выбросами опасных веществ.

Для обеспечения безопасности на производстве часто применяются комбинированные системы, включающие совмещенные приточно-вытяжные системы и локальную вентиляцию. Это позволяет обеспечить эффективный воздухообмен и снизить расходы на вентиляцию.

В зависимости от организации воздухообмена, системы вентиляции могут быть местными, удаляющими вредные вещества непосредственно в местах их образования, или общеобменными, обеспечивающими очистку воздуха во всем помещении или его части.

После выбора типа вентиляции наступает этап проектирования системы, в ходе которого осуществляется анализ требуемой производительности воздуха и расчеты воздушного обмена. Это позволяет определить необходимый объем воздуха для обеспечения комфортных и безопасных условий в помещении. Этот процесс начинается с анализа требуемой производительности воздуха, измеряемой в кубических метрах в час. Для достижения этой цели необходимо изучить планы помещений, включая их функциональное назначение и площади.

Далее проводятся расчеты воздушного обмена, учитывая количество постоянно присутствующих людей в помещении. Это позволяет определить минимальное количество обменов воздуха за час.

Расчеты воздухообмена проводятся исходя из количества людей, находящихся в помещении на протяжении длительного времени. После определения воздухообмена по численности людей проводится расчет воздухообмена по кратности, чтобы обеспечить хотя бы однократную смену воздуха в помещении за час. По результатам этих расчетов выбирается более значимое значение воздухообмена для определения требуемого объема воздуха.

L = N * Lnorm

Где:

L — требуемый объем приточного воздуха, м³/ч;

N — количество людей;

Lnorm — стандартный расход воздуха на одного человека:

в состоянии покоя (или сне) — 30 м³/ч;

в общем случае (по СНиП) — 60 м³/ч.

L = n * S * H

Где:

L — требуемый объем приточного воздуха, м³/ч;

n — нормируемая кратность воздухообмена:

для жилых помещений — от 1 до 2, для офисов — от 2 до 3;

S — площадь помещения, м²;

H — высота помещения, м.

После проведения расчетов для каждого помещения и сложения значений мы получаем общий объем воздуха, необходимый для работы вентиляционной системы.

Для разработки воздухораспределительной сети после определения производительности вентиляции необходимо перейти к проектированию. Эта сеть включает в себя воздуховоды, фасонные изделия (переходники, разветвители, повороты), дроссель-клапаны и распределители воздуха (решетки или диффузоры).

Процесс расчета начинается с создания схемы воздуховодов. Она разрабатывается с учетом минимальной общей длины трассы для обеспечения расчетного объема воздуха в каждом помещении. Затем проводится расчет размеров воздуховодов и подбор воздухораспределителей.

Для определения размеров воздуховодов учитывается объем воздуха, проходящего через них в единицу времени, и максимально допустимая скорость воздуха в канале. Ограничение скорости воздуха на уровне 3–4 м/с обусловлено желанием минимизировать уровень шума и сопротивление сети.

Sс = L * 2,778 / V

Где:

Sс – расчетная площадь сечения воздуховода, L – расход воздуха, V – скорость воздуха.

Фактическая площадь сечения вычисляется по формулам:

S = π * D² / 400 (для круглых воздуховодов),

S = A * B / 100 (для прямоугольных),

Где:

S – фактическая площадь сечения, D – диаметр круглого воздуховода, A и B – ширина и высота прямоугольного.

При расчете размеров воздуховода необходимо учитывать каждую ветвь отдельно, начиная с магистрального канала, к которому подключается вентустановка. Отметим, что скорость воздуха на выходе из вентустановки может достигать 6–8 м/с из-за ограничений размеров присоединительного фланца, который ограничен размером корпуса (внутренний шум подавляется шумоглушителем). Чтобы уменьшить скорость и шум, размеры магистрального воздуховода часто выбирают больше, чем размеры фланца вентустановки. В этом случае используется переходник для соединения магистрального воздуховода с вентустановкой.

В процессе движения воздуха по воздуховодам и прочим элементам вентиляционной сети возникает сопротивление, которое необходимо преодолеть для поддержания требуемого расхода воздуха. Это сопротивление измеряется в Паскалях (Па) и обычно зависит от конфигурации и длины воздуховодов. Зависимость между производительностью вентилятора и сопротивлением воздухопроводной сети представляется в виде вентиляционной характеристики.

Для определения подходящей приточной установки необходимо рассчитать сопротивление сети. Этот расчет включает оценку сопротивления каждого элемента сети, хотя точный расчет требует значительного объема данных. Обычно в проектном отделе используют специализированные программы, а в калькуляторах — упрощенная методика, учитывающая основные параметры сети. Вручную выполнить расчет сложно, поскольку он требует данных о сопротивлении элементов сети в зависимости от скорости движения воздуха.

Шаги по расчету вентиляции вытяжного типа требуют тщательного анализа параметров помещения и его использования. Начнем с определения минимального объема воздуха на одного человека в час, определяемого нормами СНиП. Диапазон для вытяжной общеобменной вентиляции обычно колеблется от 20 до 60 м3/ч. После этого, учитывая площадь и высоту помещения, а также его функциональное назначение, мы определяем необходимую мощность системы.

При расчете мощности системы вытяжной вентиляции для цеха, например, необходимо учесть количество работников в помещении. Итоговая мощность системы определяется как максимум из двух значений: либо через умножение кратности воздухообмена на площадь и высоту помещения, либо как произведение количества работников на норму свежего воздуха на одного человека в час. Для этого можно использовать формулу:

L = n * S * H или L = N * Lнорм

Где:

L – кратность воздухообмена, м3/ч;

n – кратность воздухообмена для данного объекта, для производственных площадей обычно берут n=2;

S – площадь объекта, м²;

H – высота объекта, м;

N – количество людей в цеху или другом помещении, для которого определяются параметры расчета;

Lнорм – количество свежего воздуха на одного человека в час, м3/ч.

При рассчете приточной вентиляции в производстенном помещении необходимо учитывать множество факторов, начиная от условий окружающей среды до потребностей конкретного объекта.

Хотя теоретически можно провести расчеты самостоятельно, для проектирования наиболее эффективной системы лучше обратиться к специалистам, особенно если речь идет о применении локальной вентиляции в сочетании с общеобменной.

Для начала расчета приточной системы необходимо знать габариты помещения, требуемый воздушный обмен (в зависимости от типа помещения) и количество людей работающих в нем. Далее используются те же формулы, что и при расчете системы удаления воздуха, и выбирается наибольшее значение из полученных результатов.

Примеры формулы:

L = n * S * H или L = N * Lнорм

L – кратность воздухообмена, м3/ч;

n – кратность воздухообмена для данного объекта, для производственных площадей обычно берут n=2;

S – площадь объекта, м²;

H – высота объекта, м;

N – количество людей в цеху или другом помещении, для которого определяются параметры расчета;

Lнорм – количество свежего воздуха на одного человека в час, м3/ч.

Для точного расчета мощности калорифера необходимо учитывать различные факторы, начиная от температуры воздуха, поступающего в помещение, до минимальной температуры наружного воздуха в самый холодный период года. При этом, чтобы обеспечить комфортную атмосферу в помещении, температура воздуха должна поддерживаться на уровне не менее +18°C, в то время как минимальная температура наружного воздуха может сильно различаться в зависимости от климатической зоны. Например, для Москвы этот показатель составляет около -26°C.

Для расчета мощности калорифера используется следующая формула:

𝑃=Δ𝑇×𝐿×𝐶𝑣/1000

Где:

P — мощность калорифера, кВт;

ΔT — разность температур воздуха на выходе и входе калорифера, °C;

L — производительность вентиляции, м³/ч;

Cv — объемная теплоемкость воздуха, равная 0,336 Вт·ч/м³/°C.

Для Москвы разность температур (ΔT ) составляет 44°С, а для других регионов определяется согласно СНиП. Объемная теплоемкость воздуха (Cv) зависит от различных параметров, но в расчетах мы упрощаем и используем константное значение.

После расчета мощности калорифера следует выбрать напряжение питания. Для электрического калорифера доступны два варианта: 220В для однофазного подключения и 380В для трехфазного. Для мощности калорифера выше 4–5 кВт предпочтительнее использовать трехфазное подключение. Максимальный потребляемый ток I можно рассчитать по формуле:

I=P/U

Где:

I — максимальный потребляемый ток, А;

P — мощность калорифера, Вт;

U — напряжение питания: 220В для однофазного и 660В (3 × 220В) для трехфазного подключения.

Типичные значения мощности калорифера варьируются от 1 до 5 кВт для квартир и от 5 до 50 кВт для офисов и коттеджей. При высокой расчетной мощности целесообразно устанавливать водяной калорифер, использующий воду из центральной или автономной системы отопления в качестве источника тепла.

В расчёте электропотребления для вентиляционных систем с электрическим калорифером ключевую роль играет нагрев холодного приточного воздуха. Однако определить точную стоимость электроэнергии требует более сложного подхода, учитывающего не только мощность калорифера, но и изменение температуры окружающего воздуха.

В холодные месяцы калорифер работает с максимальной мощностью лишь на краткие периоды, когда морозы достигают своего пика. По мере подъема температуры на улице, потребляемая мощность снижается, так как установки автоматически регулируются для поддержания заданной температуры.

Для оценки энергопотребления за весь год требуется учитывать среднемесячные температуры воздуха (для двухтарифных счетчиков необходимы дневные и ночные значения). На основе этих данных можно вычислить стоимость потребляемой энергии по формуле:

CSmonth = (ΔTday * L * Сv * PRday * 16 + ΔTnight * L * Сv * PRnight * 8) * Ndays / 1000,

Где:

CSmonth – стоимость потребленной электроэнергии за месяц, в рублях.

ΔTday и ΔTnight – разница между заданной температурой на выходе калорифера и среднемесячной дневной или ночной температурой воздуха.

PRday и PRnight – стоимость электроэнергии за кВт·ч для дневного и ночного тарифов соответственно, в рублях.

Ndays – количество дней в месяце.

Этот калькулятор учитывает расходы электроэнергии на нагрев воздуха с сентября по май, используя среднемесячные значения температуры воздуха и тарифы на электроэнергию.

Для сокращения расходов можно воспользоваться VAV-системой, которая позволяет уменьшить расчетную мощность калорифера на 20–30%, а энергопотребление на 30–50%. При этом дополнительные затраты на оборудование окупаются уже в первый год эксплуатации. Более подробно об этих системах можно узнать в статье о VAV-системах.

При выборе установки необходимо учесть три основных параметра: общую производительность, мощность калорифера и сопротивление воздухопроводной сети.

Расчёт первых двух параметров уже выполнен. Для определения сопротивления сети можно воспользоваться специальным калькулятором или, в случае ручного расчёта, принять типовое значение.

Подбирая подходящую модель, следует выбрать вентиляторы, чья максимальная производительность немного превышает расчётное значение. Затем, анализируя вентиляционные характеристики, мы определяем производительность системы при установленном сопротивлении сети. Если эта производительность немного выше требуемой, то данная модель установки подходит.

Важно отметить, что многие современные вентиляторы имеют пологие характеристики, что позволяет им оставаться эффективными при изменении сопротивления сети. Даже если в нашем примере ошибка в определении сопротивления составит 50 Па, что приведёт к увеличению его до 180 Па, производительность системы всего лишь снизится на 20 м³/ч до 460 м³/ч, что не сильно повлияет на результат выбора.

В случае, если фактическая производительность вентиляции значительно превышает расчётную, есть несколько вариантов:

• Оставить всё как есть, принимая во внимание избыточную производительность и увеличивая расход энергии.
• Использовать балансировочные дроссели для «задушивания» установки до желаемого уровня производительности.
• Не использовать максимальную скорость работы вентилятора, если это возможно.
• Настроить максимальную производительность установки на требуемый уровень, если это поддерживается автоматикой.

В процессе наших расчётов мы опирались на нормативные требования, изложенные в СНиП и МГСН. Эти документы предоставляют минимально допустимую производительность вентиляции, необходимую для обеспечения комфортного пребывания людей в помещениях. Основной упор делается на экономичность системы и затрат на её эксплуатацию, что особенно актуально при проектировании вентиляционных систем для общественных и административных зданий.

Однако, если речь идет о производственном помещении, важно учитывать не только базовые нормативы СНиП, но и специфику вашего производственного процесса. Рекомендуется провести более детальный анализ требований к воздухообмену и уровню безопасности в вашей отрасли, чтобы точно определить необходимый уровень вентиляции.

Кроме того, с учетом современных технологий, стоит обратить внимание на возможности регулировки производительности системы вентиляции. Это позволит вам настраивать вентиляцию в соответствии с изменяющимися потребностями вашего производства, обеспечивая оптимальные условия труда и экономическую эффективность.

Это означает, что производительность системы может быть как выше расчётного значения (для повышения комфорта), так и ниже (для снижения энергопотребления и стоимости установки). Кроме того, восприятие комфорта у разных людей различно: кто-то может быть удовлетворён воздухообменом 30–40 м³/ч на человека, в то время как другому это покажется недостаточным, и им будет нужно 60 м³/ч.

Соблюдение нормативов указанных в документах СНИП и правильный расчет исходя из всех данных помещения производства, обеспечивает нужный уровень комфорта и безопасности. Более того, современные системы вентиляции позволяют регулировать производительность с помощью пульта управления, что позволит вам найти оптимальный баланс между комфортом и экономией уже в процессе эксплуатации.