Dystrybucja powietrza pod podłogą
Dystrybucja powietrza pod podłogą (UFAD) to strategia dystrybucji powietrza zapewniająca wentylację i klimatyzację pomieszczeń w budynkach w ramach projektowania systemu HVAC . Systemy UFAD wykorzystują podpodłogową komorę nawiewną umieszczoną między betonową płytą konstrukcyjną a systemem podniesionej podłogi w celu dostarczania klimatyzowanego powietrza do wylotów nawiewnych (zwykle nawiewników podłogowych), znajdujących się na poziomie podłogi lub w jej pobliżu w zajmowanej przestrzeni. Powroty powietrza z pomieszczenia na poziomie sufitu lub maksymalnej dopuszczalnej wysokości nad strefą przebywania ludzi.
System UFAD wykorzystuje zjawisko smugi termicznej i rozwarstwienia: uzdatnione powietrze dostarczane jest bezpośrednio do strefy przebywania ludzi (OZ). Pióropusze termiczne generowane przez mieszkańców i inne źródła ciepła wprowadzają uzdatnione powietrze w celu pochłonięcia ciepła i wilgoci, a następnie doprowadzają zanieczyszczone powietrze do strefy górnej (UZ). Na określonej płaszczyźnie w pomieszczeniu natężenie przepływu powietrza powracającego do UZ jest równe nawiewowi. Płaszczyzna dzieli pomieszczenie na OZ i UZ i prowadzi do rozwarstwienia termicznego: gorące i zanieczyszczone powietrze koncentruje się w UZ, a powietrze w OZ jest chłodne i świeże.
UFAD może przynieść kilka potencjalnych korzyści w porównaniu z tradycyjnymi systemami napowietrznymi, w tym obniżone koszty budowy w całym cyklu życia; poprawiony komfort termiczny, zadowolenie mieszkańców i produktywność; poprawiona wydajność wentylacji, jakość powietrza w pomieszczeniach i zdrowie; zmniejszone zużycie energii i ciśnienie statyczne; i zmniejszoną wysokość od podłogi do podłogi w nowym budownictwie.
System UFAD został pierwotnie wprowadzony w latach 50. XX wieku do pomieszczeń o dużym obciążeniu cieplnym oraz do systemów podłóg podniesionych do zarządzania kablami i urządzeniami (np. pomieszczenia komputerowe, centra sterowania itp.). System został wprowadzony do budynków biurowych w latach 70. XX wieku w Niemczech Zachodnich wraz z dodaniem lokalnych dyfuzorów zasilających kontrolowanych przez użytkowników. Obecnie system UFAD zyskał znaczną akceptację w Europie, Afryce Południowej i Japonii.
UFAD jest często używany w budynkach biurowych , szczególnie w biurach o dużej rekonfiguracji i otwartych przestrzeniach, w których podniesione podłogi są pożądane do zarządzania kablami. UFAD jest odpowiedni dla wielu różnych typów budynków, w tym budynków handlowych, szkół, kościołów, lotnisk, muzeów, bibliotek itp. Godne uwagi budynki korzystające z systemu UFAD w Ameryce Północnej to The New York Times Building , Bank of America Tower i San Francisco Federal Building . W fazie budowy systemów UFAD należy dokładnie rozważyć, aby zapewnić dobrze uszczelnioną komorę w celu uniknięcia wycieków powietrza w komorach zasilających UFAD.
Opis systemu
Systemy UFAD opierają się na centralach wentylacyjnych, które filtrują i kondycjonują powietrze do odpowiednich warunków zasilania, aby mogło być dostarczane do strefy przebywania ludzi. Podczas gdy systemy napowietrzne zazwyczaj wykorzystują kanały do dystrybucji powietrza, systemy UFAD wykorzystują komorę podpodłogową utworzoną przez instalację podłogi podniesionej . Komora na ogół znajduje się 0,3 i 0,46 metra (12 i 18 cali ) nad betonową płytą konstrukcyjną, chociaż możliwe są niższe wysokości. Specjalnie zaprojektowane dyfuzory podłogowe służą jako punkty zaopatrzenia. Najbardziej powszechna konfiguracja UFAD składa się z centralnej jednostki wentylacyjnej dostarczającej powietrze przez komorę ciśnieniową i do pomieszczenia przez nawiewniki podłogowe. Inne podejścia mogą obejmować jednostki końcowe zasilane wentylatorem na wylotach, kanałach podpodłogowych, otworach wentylacyjnych w biurkach lub połączeniach z osobistymi systemami kontroli środowiska.
Dystrybucja i rozwarstwienie powietrza UFAD
Stratyfikacja termiczna jest wynikiem procesów układania warstw powietrza wewnętrznego zgodnie z gęstością względną. Powstała warstwa powietrza to pionowy gradient z gęstym i chłodniejszym powietrzem poniżej i cieplejszym powietrzem o małej gęstości powyżej. Ze względu na naturalnie konwekcyjny ruch powietrza, rozwarstwienie stosuje się głównie w warunkach chłodzenia.
Systemy UFAD wykorzystują naturalne rozwarstwienie, które występuje, gdy ciepłe powietrze unosi się w wyniku wyporu termicznego . W projekcie UFAD klimatyzowane powietrze pozostaje w dolnej, zajmowanej części pomieszczenia, podczas gdy źródła ciepła, takie jak mieszkańcy i sprzęt, wytwarzają smugi termiczne, które przenoszą ciepłe powietrze i zanieczyszczenia wytwarzane przez źródło ciepła w kierunku sufitu gdzie są usuwane przez kanały powietrza powrotnego. Stratyfikacja temperatury stworzona przez system UFAD ma wpływ na nastawy przestrzeni. Większość ciała użytkownika znajduje się w obszarze, który jest zimniejszy niż temperatura na wysokości termostatu; dlatego obecna praktyka zaleca podniesienie nastaw termostatu w porównaniu z tradycyjnymi systemami napowietrznymi. Optymalna strategia wentylacji steruje wylotami nawiewnymi, aby ograniczyć mieszanie powietrza nawiewanego z powietrzem w pomieszczeniu do poziomu tuż poniżej wysokości oddychania pomieszczenia. Powyżej tej wysokości może występować uwarstwione i bardziej zanieczyszczone powietrze. Powietrze, którym oddychają mieszkańcy, będzie miało niższe stężenie zanieczyszczeń w porównaniu z konwencjonalnymi systemami z jednorodną mieszanką.
Teoretyczne zachowanie systemów UFAD opiera się na teorii pióropuszy dla systemów DV . W porównaniu do klasycznych systemów wentylacji wyporowej (DV), które dostarczają powietrze z małymi prędkościami, typowe systemy UFAD dostarczają powietrze przez nawiewniki podłogowe z wyższymi prędkościami powietrza nawiewanego. Oprócz zwiększenia stopnia mieszania (a tym samym potencjalnego zmniejszenia wydajności wentylacji w porównaniu z systemami DV), te silniejsze warunki nawiewu mogą mieć znaczący wpływ na rozwarstwienie powietrza w pomieszczeniu i komfort termiczny w strefie przebywania ludzi. Dlatego kontrola i optymalizacja tego rozwarstwienia ma kluczowe znaczenie dla projektowania i wymiarowania systemu, energooszczędnego działania i komfortu działania systemów UFAD.
Wiele czynników, w tym wysokość sufitu, charakterystyka dyfuzorów, liczba dyfuzorów, temperatura powietrza nawiewanego, całkowite natężenie przepływu, obciążenie chłodnicze i tryb klimatyzacji wpływa na wydajność wentylacji systemów UFAD. Wykazano, że dyfuzory wirowe i perforowane panele podłogowe powodują niską prędkość powietrza w strefie przebywania ludzi, podczas gdy nawiewniki liniowe wytwarzają największą prędkość w strefie przebywania ludzi, zaburzając rozwarstwienie termiczne i stwarzając potencjalne ryzyko przeciągów. Dodatkowo nawiewniki podłogowe dają użytkownikowi element osobistej kontroli, ponieważ użytkownicy mogą regulować ilość powietrza dostarczanego przez nawiewnik, obracając jego górną część.
Charakterystyka aplikacji
Obciążenie chłodnicze UFAD
Profile obciążenia chłodzenia dla systemów UFAD i systemów napowietrznych są różne, głównie ze względu na efekt magazynowania ciepła lżejszych paneli podłogi podniesionej w porównaniu z większą masą konstrukcyjnej płyty stropowej. Sama obecność podniesionej podłogi zmniejsza zdolność stropu do magazynowania ciepła, powodując w ten sposób w przypadku systemu z podniesioną podłogą wyższe szczytowe obciążenia chłodnicze w porównaniu z systemem bez podniesionej podłogi. W systemie OH, szczególnie w strefach obwodowych, część zysku ciepła słonecznego jest magazynowana w płycie podłogowej w ciągu dnia, zmniejszając w ten sposób szczytowe obciążenia chłodnicze strefy i uwalniana w nocy, gdy system jest wyłączony. W systemie UFAD obecność podniesionej podłogi powoduje przekształcenie pochłaniającej światło słoneczne masywnej płyty podłogowej w lżejszy materiał, co prowadzi do stosunkowo wyższych szczytowych obciążeń chłodniczych w strefie. Badanie modelowe oparte na symulacjach EnergyPlus wykazało, że generalnie UFAD ma szczytowe obciążenie chłodnicze o 19% wyższe niż górne obciążenie chłodnicze, a 22% i 37% całkowitego obciążenia chłodniczego UFAD w strefie trafia do komory zasilającej na obwodzie i wewnątrz, odpowiednio.
Center for the Built Environment opracowało nowy wskaźnik współczynnika obciążenia chłodzenia UFAD (UCLR), który jest zdefiniowany jako stosunek szczytowego obciążenia chłodzenia obliczonego dla UFAD do szczytowego obciążenia chłodzenia obliczonego dla dobrze wymieszanego systemu, w celu obliczenia obciążenia chłodzenia UFAD dla każdej strefy z tradycyjnym szczytowym obciążeniem chłodniczym systemu napowietrznego (dobrze wymieszanego). UCLR zależy od typu strefy, poziomu podłogi i orientacji strefy. Frakcja komory nawiewnej (SPF), frakcja strefy (ZF) i frakcja komory powrotnej (RPF) są opracowywane podobnie do obliczania obciążenia chłodniczego komory nawiewnej, strefy i komory powrotnej.
Narzędzia projektowe UFAD do wymagań strefy przepływu powietrza
Dostępne są dwa narzędzia projektowe do określania wymagań dotyczących natężenia przepływu powietrza w strefie dla systemu UFAD. Jedno z nich zostało opracowane na Uniwersytecie Purdue w ramach projektu badawczego ASHRAE (RP-1522). Drugi został opracowany w Center for the Built Environment (CBE) na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley .
W ramach projektu badawczego ASHRAE (RP-1522) opracowano uproszczone narzędzie, które przewiduje pionową różnicę temperatur między głową a kostkami pasażerów, natężenie przepływu powietrza nawiewanego dla jednej strefy komory, liczbę dyfuzorów i skuteczność dystrybucji powietrza. Narzędzie wymaga od użytkowników określenia obciążenia chłodzenia strefy i ułamka obciążenia chłodzenia przypisanego do przestrzeni podpodłogowej. Wymaga również od użytkowników wprowadzenia temperatury powietrza nawiewanego na nawiewniku lub w kanale, ale ze stosunkiem natężenia przepływu komory do strefowego natężenia przepływu nawiewu. Narzędzie pozwala użytkownikom wybrać jeden z trzech typów dyfuzorów i ma zastosowanie do siedmiu rodzajów budynków, w tym biura, klasy, warsztatu, restauracji, sklepu detalicznego, sali konferencyjnej i audytorium.
Narzędzie projektowe CBE UFAD oparte na szeroko zakrojonych badaniach jest w stanie przewidzieć obciążenie chłodnicze dla systemu UFAD na podstawie danych wejściowych projektowego obciążenia chłodniczego obliczonego dla tego samego budynku z systemem napowietrznym. Przewiduje również natężenie przepływu powietrza, rozwarstwienie temperatury w pomieszczeniu i wzrost temperatury w przestrzeni nadsufitowej zarówno dla stref wewnętrznych, jak i obwodowych typowych wielopiętrowych budynków biurowych za pomocą systemu UFAD. Narzędzie CBE pozwala użytkownikowi wybrać jedną z czterech różnych konfiguracji komory (szeregowa, odwrócona, niezależna i wspólna) oraz trzech nawiewników podłogowych (kratka wirowa, kwadratowa i liniowa). Wersja online narzędzia do projektowania jest publicznie dostępna pod adresem Centrum Środowiska Zbudowanego .
Wzrost temperatury powietrza plenum
Wzrost temperatury powietrza nawiewanego w komorze wyrównawczej to wzrost temperatury klimatyzowanego powietrza w wyniku konwekcyjnego zysku ciepła podczas przemieszczania się przez komorę nawiewną pod podłogą od wlotu komory do nawiewników podłogowych. Zjawisko to nazywane jest również rozpadem termicznym. Wzrost temperatury powietrza w komorze jest spowodowany kontaktem chłodnego powietrza nawiewanego z cieplejszą od powietrza płytą betonową i podniesioną podłogą. Zgodnie z badaniem modelowym wzrost temperatury powietrza może być dość znaczny (nawet o 5°C lub 9°F), a następnie, w porównaniu z wyidealizowanym, symulowanym przypadkiem UFAD bez wzrostu temperatury powietrza, podwyższone temperatury powietrza w dyfuzorze mogą prowadzić do wyższego nawiewu prędkość przepływu powietrza i zwiększone zużycie energii wentylatora i agregatu chłodniczego. To samo badanie wykazało, że wzrost temperatury powietrza latem jest wyższy niż zimą i zależy również od klimatu. Parter z płytą na posadzce ma mniejszy wzrost temperatury w porównaniu do środkowych i ostatnich pięter, a wzrost temperatury powietrza nawiewanego powoduje spadek wzrostu temperatury. Na wzrost temperatury nie ma istotnego wpływu orientacja strefy obwodowej, wewnętrzne zyski ciepła i stosunek okna do ściany. Wzrost temperatury powietrza w komorze nawiewnej ma zatem wpływ na potencjał oszczędności energii systemów UFAD i ich zdolność do spełnienia wymagań dotyczących chłodzenia przy temperaturach zasilania wyższych niż w przypadku konwencjonalnych systemów napowietrznych. Obecne badania sugerują, że w systemach UFAD można poprawić zarówno wydajność energetyczną, jak i termiczną, kierując powietrze do stref obwodowych, w których obciążenia są największe. Krytycy sugerują jednak, że takie kanały podpodłogowe zmniejszają korzyści płynące z posiadania przestrzeni nadciśnieniowej o niskim ciśnieniu, a także dodają komplikacje projektowe i instalacyjne podczas montowania kanałów między cokołami płytek podłogowych.
Wyciek powietrza w komorach UFAD
Wycieki w komorach zasilających UFAD mogą być główną przyczyną nieefektywności systemu UFAD. Istnieją dwa rodzaje wycieków — wyciek do przestrzeni i wyciek do ścieżek omijających przestrzeń. Pierwsza kategoria nieszczelności nie skutkuje karą energetyczną, ponieważ powietrze dostaje się do strefy, którą ma chłodzić. Druga kategoria nieszczelności zwiększa energię wentylatora w celu utrzymania stałego ciśnienia w komorze, co skutkuje zwiększonym zużyciem energii. Należy zwrócić szczególną uwagę na fazę budowy systemów UFAD, aby zapewnić dobrze uszczelnioną komorę.
UFAD i energia
Ocena energetyczna systemów UFAD nie była obszerna, ale niektóre badania wskazują na potencjalne oszczędności energii dzięki mniejszemu spadkowi ciśnienia i mniejszemu natężeniu przepływu powietrza. Typowe ciśnienie w komorze wynosi 25 paskali (0,0036 psi ) (0,1 cala słupa wody) lub mniej. UFAD jest szczególnie odpowiedni do budynków o wysokich stropach, gdzie efekt oszczędności energii jest bardziej wyraźny dzięki stratyfikacji termicznej. Ponieważ UFAD jest realizowany poprzez dostarczanie powietrza przez podniesioną podłogę przy użyciu różnych typów konfiguracji dystrybucji i wylotów, kluczową kwestią dla wydajnego działania systemu jest zapewnienie stratyfikacji termicznej. Nieefektywne działanie systemu UFAD praktycznie pogorszyło potencjalne oszczędności zakładane z takiego systemu. Badanie oszczędności energii wykazało również, że wartość ta jest różna dla budynków zlokalizowanych w różnych klimatach, co sugeruje, że dalsze badania powinny zbadać ten czynnik przed zaprojektowaniem odpowiedniego systemu HVAC.
Aplikacje
Rozprowadzanie powietrza pod podłogą jest często stosowane w budynkach biurowych , zwłaszcza w biurach o dużej rekonfiguracji i otwartych przestrzeniach, w których podniesione podłogi są pożądane do zarządzania kablami. UFAD jest również powszechny w centrach dowodzenia , centrach danych IT i serwerowniach , które mają duże obciążenia chłodnicze ze sprzętu elektronicznego i wymagania dotyczące poprowadzenia kabli zasilających i danych. Przewodnik ASHRAE sugeruje, że każdy budynek, w którym rozważa się podniesioną podłogę do dystrybucji kabli należy rozważyć UFAD.
Podczas korzystania z systemów UFAD w laboratoriach należy wziąć pod uwagę szczególne kwestie związane z przestrzenią ze względu na krytyczne wymagania w zakresie utrzymywania ciśnienia w pomieszczeniu i potencjalną migrację chemikaliów do przestrzeni międzysufitowej z dostępem w wyniku rozlania. Systemy UFAD nie są zalecane w niektórych określonych obiektach lub przestrzeniach, takich jak małe budynki niemieszkalne, mokre przestrzenie, takie jak toalety i baseny, kuchnie i jadalnie oraz sale gimnastyczne, ponieważ UFAD może powodować szczególnie trudne lub kosztowne projekty. Systemy UFAD mogą być również używane z innymi systemami HVAC, takimi jak wentylacja wyporowa, napowietrzne systemy dystrybucji powietrza, sufity promiennikowe lub systemy belek chłodzących, aby uzyskać lepszą wydajność.
UFAD w porównaniu z innymi systemami dystrybucji
Ogólny (miksowanie)
Konwencjonalne górne systemy mieszania zwykle umieszczają kanały powietrza nawiewanego i wywiewanego na poziomie sufitu. Powietrze nawiewane jest dostarczane z prędkościami wyższymi niż zwykle akceptowalne dla ludzkiego komfortu, a temperatura powietrza może być niższa, wyższa lub taka sama jak żądana temperatura w pomieszczeniu, w zależności od obciążenia chłodzenia/ogrzewania. Strumienie turbulentne powietrza o dużej prędkości mieszają powietrze nawiewane z powietrzem w pomieszczeniu.
Dobrze zaprojektowane systemy UFAD mają kilka potencjalnych zalet w porównaniu z tradycyjnymi systemami napowietrznymi, takimi jak elastyczność układu, lepszy komfort cieplny, lepsza wydajność wentylacji i jakość powietrza w pomieszczeniach, lepsza efektywność energetyczna w odpowiednich klimatach i niższe koszty cyklu życia.
Wentylacja wyporowa
wentylacji wyporowej (DV) działają na podobnych zasadach jak systemy UFAD. Systemy DV dostarczają chłodne powietrze do klimatyzowanej przestrzeni na poziomie podłogi lub w jej pobliżu, a powietrze wywiewane na poziomie sufitu. Działa to poprzez wykorzystanie naturalnej pływalności ciepłego powietrza i smug termicznych generowanych przez źródła ciepła, gdy chłodniejsze powietrze jest dostarczane z niższych wysokości. Chociaż podobny, UFAD ma tendencję do zachęcania do większego mieszania się w strefie przebywania ludzi i zapewniania lokalnego dopływu powietrza, co umożliwia zwiększenie ruchu powietrza w przestrzeni i zapobiega odczuwaniu stagnacji powietrza, często związanej ze złą jakością powietrza. Główne praktyczne różnice polegają na tym, że w UFAD powietrze jest dostarczane z większą prędkością przez mniejsze otwory nawiewne niż w DV, a wyloty nawiewne są zwykle kontrolowane przez mieszkańców.
Lista znanych budynków wykorzystujących systemy UFAD
Linki zewnętrzne
- Slajdy z warsztatów Center for the Built Environment na temat UFAD.
- Centrum Środowiska Zabudowanego (CBE), University of California, Berkeley. http://www.cbe.berkeley.edu/
Grupy zawodowe i handlowe, które zapewniają finansowanie badań i publikują standardy lub przewodniki dotyczące systemów UFAD, obejmują:
- Amerykańskie Stowarzyszenie Inżynierów Ogrzewania, Chłodnictwa i Klimatyzacji , (ASHRAE) http://www.ashrae.org/
- Instytut Techniki Klimatyzacji i Chłodnictwa (ARTI)
- Instytut Klimatyzacji, Ogrzewania i Chłodnictwa (AHRI) http://www.ahrinet.org/