Проектирование вентиляции в промышленных зданиях

Проектирование вентиляции в промышленных зданиях

Проектирование вентиляции промышленных зданий - это сложный и ответственный процесс, от которого напрямую зависит здоровье и безопасность работников, качество выпускаемой продукции, а также соблюдение технологических требований производства. Неправильно спроектированная или неэффективно работающая вентиляция может привести к серьезным последствиям - от распространения вредных веществ в воздухе рабочей зоны до взрывов и пожаров.

Промышленная вентиляция имеет ряд особенностей по сравнению с вентиляцией жилых и общественных зданий. Она должна не только поддерживать комфортные параметры микроклимата (температуру, влажность, подвижность воздуха), но и удалять из помещений вредные выделения - пыль, газы, пары, избыточное тепло и влагу. При этом количество удаляемых веществ может достигать сотен и тысяч кубометров в час.

Основные задачи промышленной вентиляции:

• Обеспечение нормативных параметров воздушной среды на рабочих местах;
• Локализация и удаление вредностей непосредственно от источников их выделения;
• Предотвращение распространения вредных веществ по помещениям и территории предприятия;
• Подача свежего воздуха для разбавления до ПДК остаточных вредностей, не удаленных местными отсосами;
• Борьба с пылью, дымом, туманами;
• Удаление избыточной влаги и теплоты.

Типы промышленной вентиляции

По способу организации воздухообмена системы промышленной вентиляции делятся на два основных типа: общеобменная и местная. Они дополняют друг друга и часто применяются совместно.

Общеобменная вентиляция предназначена для разбавления вредных веществ до допустимых концентраций и удаления их избытков из рабочей зоны. Она обслуживает все помещение целиком и может быть организована по принципу вытеснения или смешения.

Общеобменная вентиляция включает:

• Приточную - для подачи чистого воздуха. Приток может быть неорганизованным (через открытые проемы) или организованным (через специальные воздухораспределители - решетки, плафоны, сопла);
• Вытяжную - для удаления загрязненного воздуха. Загрязненный воздух удаляется через вытяжные решетки или патрубки под потолком или у пола помещения, в зависимости от плотности вредных веществ;
• Приточно-вытяжную - с одновременной подачей и удалением воздуха в требуемых пропорциях. Такие системы позволяют организовать воздухообмен по схеме "сверху-вверх" или "снизу-вверх", с учетом распределения вредных веществ по высоте помещения.

Местная вентиляция служит для удаления вредных выделений непосредственно от мест их образования - открытых технологических ванн, печей, нагретых поверхностей и т.п. Она позволяет предотвратить распространение вредных веществ по всему объему помещения и резко снизить требуемую производительность общеобменной вентиляции.

Основные виды:

• Вытяжные зонты - для улавливания потоков теплого воздуха над нагретым оборудованием (плавильные печи, автоклавы, сушильные шкафы). Объем удаляемого воздуха - до 10000 м3/ч;
• Бортовые отсосы - для удаления выделений по всему периметру ванн (гальванические, травильные). Скорость всасывания - не менее 0,6 м/с;
• Кожухи и укрытия - для максимальной изоляции источника вредных выделений от помещения (размольное и дробильное оборудование, станки). Объем отсасываемого воздуха - 100-1500 м3/ч;
• Вытяжные шкафы - для проведения работ с токсичными веществами в лабораториях. Скорость в рабочем проеме - не менее 0,5 м/с.

Аварийная вентиляция - это резервная система, которая должна автоматически включаться при внезапном поступлении в воздух больших количеств вредных или взрывоопасных веществ. Она рассчитывается на 8-12 кратный воздухообмен и имеет отдельную сеть воздуховодов.

Конкретный состав и параметры вентиляции определяются на основе анализа технологического процесса, выделяющихся вредностей, режима работы оборудования. Например, при сварочных работах необходимо предусмотреть местные отсосы с объемом удаления до 1500 м3/ч на 1 пост, а для гальванического цеха - общеобменную вентиляцию с 5-6 кратным обменом и местные отсосы с объемом удаления до 12000 м3/ч.

Этапы проектирования промышленной вентиляции

Разработка эффективной и надежной системы промышленной вентиляции - это комплексная инженерная задача, требующая глубоких знаний и опыта. Процесс проектирования включает следующие основные этапы:

Сбор и анализ исходных данных. На этом этапе определяются:

• Назначение и габариты вентилируемых помещений;
• Характеристики технологического процесса и оборудования;
• Виды и количество выделяющихся вредных веществ;
• Категория производства по взрыво- и пожароопасности;
• Расположение рабочих мест и постоянных источников вредностей;
• Параметры наружного климата и требуемые параметры внутреннего воздуха.

Расчет воздухообмена. На основе собранных данных определяется необходимое количество приточного и вытяжного воздуха для каждого помещения. Расчет ведется по нормативным кратностям (для вентиляции, отопления, кондиционирования) и по количеству выделяющихся вредных веществ, с учетом их ПДК в рабочей зоне. Результатом расчета являются:

• Объем приточного воздуха для обеспечения санитарных норм (30-60 м3/ч на человека);
• Объем вытяжного воздуха для удаления избытков вредностей и теплоты;
• Кратность воздухообмена по помещениям (обычно 1-3 ч-1, до 5-10 ч-1 для пожароопасных производств);
• Схема организации воздухообмена (сверху-вверх, снизу-вверх, вытеснение, смешение).

Подбор вентиляционного оборудования. По заданным расходам воздуха выбираются:

• Приточные и вытяжные вентиляторы (осевые, радиальные, крышные). Подбор ведется по номограммам с учетом требуемого расхода (м3/ч) и напора (Па). Для крупных систем применяются вентиляторы №8-12 с расходом до 100000 м3/ч;
• Приточные камеры (для подогрева, очистки, увлажнения воздуха). Стандартные камеры имеют производительность 10-125 тыс. м3/ч и включают фильтры, теплообменники, увлажнители;
• Воздушные клапаны, решетки, диффузоры для распределения и регулирования воздуха;
• Воздуховоды - стальные или пластиковые, круглого или прямоугольного сечения. Диаметр воздуховодов - от 100 до 1600 мм, скорость воздуха - 5-12 м/с;
• Местные отсосы - зонты, укрытия, шкафы в зависимости от типа оборудования;
• Системы автоматического контроля и управления (датчики, контроллеры, частотные приводы).

Все элементы системы подбираются из условия минимизации энергопотребления и капитальных затрат при максимальной эффективности. Широко применяется компьютерное моделирование воздушных потоков (CFD) для оптимизации аэродинамики.

Далее выполняется размещение вентиляционного оборудования на планах и разрезах здания, трассировка воздуховодов, составляются аксонометрические схемы и спецификации. Готовый проект вентиляции должен обеспечивать безопасные и комфортные условия труда при минимальном расходе энергии и соблюдении всех норм и правил.

Особенности вентиляции в различных отраслях промышленности

Каждое промышленное производство имеет свою специфику, которая определяет особые требования к вентиляции. Рассмотрим характерные примеры организации воздухообмена в ключевых отраслях.

Металлургия и машиностроение. Основные вредные факторы - высокая температура, пыль, оксиды азота, углерода и серы. Для горячих цехов (доменное, сталеплавильное, прокатное производство) характерны тепловыделения до 1 МВт на 1 т продукции. Здесь применяется аэрация с 60-кратным воздухообменом и местные отсосы от печей с расходом до 150000 м3/ч. В цехах холодной обработки металлов (механическая обработка, сварка, окраска) преобладают общеобменная вентиляция с 3-5-кратным обменом и местные отсосы от станков и сварочных постов (до 3000 м3/ч на 1 пост).

Химическая и нефтехимическая промышленность. Выделяются токсичные пары растворителей, кислот, щелочей, большое количество тепла (до 50 кВт/м3) и влаги. Для предотвращения образования взрывоопасных смесей применяется 10-15 кратный воздухообмен и местные отсосы в виде вытяжных шкафов и укрытий аппаратов. При производстве полиэтилена для цеха полимеризации необходим 13-кратный обмен, а для отделения сушки - 17-19-кратный. Системы вентиляции выполняются во взрывозащищенном исполнении.

Фармацевтическая промышленность. Главные требования - стерильность воздуха, локализация пылевыделений, предотвращение перекрестной контаминации продукции. В чистых помещениях классов А и В применяется ламинарный воздушный поток со скоростью 0,3-0,6 м/с. Для цехов таблетирования и упаковки характерен 5-8 кратный воздухообмен с 3-4 ступенчатой очисткой приточного воздуха (грубая, тонкая фильтрация, HEPA-фильтры). Местная вытяжка осуществляется вытяжными шкафами и укрытиями над таблеточными прессами и сушильными аппаратами.

Пищевая промышленность. Вентиляция должна удалять избытки влаги и теплоты, предотвращать образование конденсата, устранять запахи. На предприятиях по производству хлеба и кондитерских изделий основные точки выделения теплоты и влаги - печи (до 180 кВт и 200 кг/ч влаги), расстойные шкафы (до 75 кВт). Здесь применяются местные отсосы (до 2000 м3/ч) в сочетании с приточно-вытяжной вентиляцией с 3-8 кратным обменом. На молокозаводах и сыродельных комбинатах необходим 4-6 кратный воздухообмен, на колбасных фабриках - 8-10 кратный, с возможностью рециркуляции воздуха.

Деревообработка и мебельное производство. Главный вредный фактор - древесная пыль, ее концентрация может достигать 100 мг/м3 при ПДК = 6 мг/м3. В деревообрабатывающих цехах устанавливаются мощные местные отсосы от станков, укрытия и пылеуловители (циклоны, фильтры) с объемом отсасываемого воздуха до 5000 м3/ч на 1 станок. Для вентиляции окрасочных камер применяются водяные завесы и гидрофильтры. Общеобменная вентиляция производится по схеме сверху вниз с 5-7 кратным воздухообменом.

Энергоэффективность промышленной вентиляции

Затраты на вентиляцию и кондиционирование в структуре энергопотребления промышленных предприятий достигают 30-60%, поэтому вопрос энергосбережения здесь особенно актуален. Основные пути повышения энергоэффективности систем вентиляции:

Утилизация тепла вытяжного воздуха. Для этого применяются:

• Рекуператоры (пластинчатые, роторные, с промежуточным теплоносителем). КПД рекуператоров достигает 60-80%, что позволяет экономить до 60% тепловой энергии на нагрев приточного воздуха;
• Регенераторы (с насадкой или вращающиеся). КПД регенераторов - 70-90%, но они имеют ограничения по загрязненности удаляемого воздуха.

Например, применение роторного рекуператора в системе вентиляции цеха по производству печатных плат позволяет утилизировать до 500 кВт тепловой мощности и сократить затраты на подогрев воздуха в 3 раза.

Внедрение частотно-регулируемого привода (ЧРП) для вентиляторов. Это дает возможность плавно изменять производительность вентиляторов в зависимости от реальной потребности в воздухообмене. Например, снижение скорости вращения вентилятора всего на 20% позволяет вдвое уменьшить его энергопотребление. Особенно эффективно применение ЧРП в переменных режимах работы - при колебаниях температуры, времени суток, количества персонала.

Зонирование и автоматизация вентиляции. Разделение больших цехов на зоны с автономными вентсистемами дает возможность гибко управлять воздухообменом в каждой зоне по сигналам датчиков (CO2, температуры, влажности). Это исключает подачу и обработку избыточного количества воздуха. Например, автоматическое отключение вентиляции в период технологических перерывов позволяет экономить до 30% электроэнергии.

Комплексное применение этих методов дает возможность в 1,5-2 раза снизить энергоемкость СКВ и повысить класс энергоэффективности здания до уровня А или В.

Обслуживание и модернизация систем промышленной вентиляции

Для поддержания стабильной и эффективной работы вентсистем на протяжении всего срока службы (15-20 лет) необходимо их регулярное техническое обслуживание (ТО). Периодичность ТО зависит от условий эксплуатации и составляет от 1 до 3 месяцев.

Типовой регламент ТО включает:

• Осмотр и проверку всех элементов системы (вентиляторов, фильтров, автоматики);
• Очистку и замену фильтров (1-2 раза в месяц для предфильтров, 1-2 раза в год для HEPA-фильтров);
• Проверку и регулировку рабочих параметров (температура, влажность, скорость воздуха);
• Выявление и устранение неисправностей (вибрация, перегрев и т.д.);
• Проверку КИПиА и элементов противопожарной защиты.

Например, загрязнение воздушного фильтра на 30% снижает производительность вентилятора на 15% и увеличивает его энергопотребление на 20%. Поэтому своевременный контроль и замена фильтров экономически выгодны.

Кроме того, необходимо проводить плановую модернизацию вентиляционного оборудования с учетом его морального и физического износа. Модернизация может включать:

• Замену устаревших вентиляторов и электродвигателей на современные энергоэффективные модели;
• Установку ЧРП и систем автоматического управления;
• Внедрение систем утилизации теплоты;
• Оптимизацию схемы воздухораспределения и воздуховодной сети;
• Переход на экологически чистые и безопасные хладагенты в системах кондиционирования.

Например, замена центробежного вентилятора ВЦ-14-46 (КПД=0,76) на радиальный вентилятор ВР-80-75 (КПД=0,85) дает экономию электроэнергии на 12-15% при той же производительности.

Комплексная модернизация вентсистем позволяет повысить их энергоэффективность на 30-40%, продлить срок службы на 5-7 лет и улучшить параметры воздушной среды в цехах.