Проектування вентиляції у промислових будівлях

Проектування вентиляції у промислових будівлях

Проектування вентиляції промислових будівель - це складний і відповідальний процес, від якого безпосередньо залежить здоров'я та безпека працівників, якість продукції, а також дотримання технологічних вимог виробництва. Неправильно спроектована чи неефективно працююча вентиляція може призвести до серйозних наслідків - від поширення шкідливих речовин у повітрі робочої зони до вибухів та пожеж.

Промислова вентиляція має низку особливостей у порівнянні з вентиляцією житлових та громадських будівель. Вона повинна не тільки підтримувати комфортні параметри мікроклімату (температуру, вологість, рухливість повітря), але й видаляти з приміщень шкідливі виділення – пил, гази, пари, надлишкове тепло та вологу. При цьому кількість речовин, що видаляються, може досягати сотень і тисяч кубометрів на годину.

Основні завдання промислової вентиляції:

• забезпечення нормативних параметрів повітряного середовища на робочих місцях;
• Локалізація та видалення шкідливостей безпосередньо від джерел їх виділення;
• Запобігання поширенню шкідливих речовин по приміщенням та території підприємства;
• Подача свіжого повітря для розведення до ГДК залишкових шкідливостей, не віддалених місцевими відсмоктувачами;
• Боротьба із пилом, димом, туманами;
• Видалення надлишкової вологи та теплоти.

Типи промислової вентиляції

За способом організації повітрообміну системи промислової вентиляції поділяються на два основні типи: загальнообмінна та місцева. Вони доповнюють один одного і часто використовуються спільно.

Загальнообмінна вентиляція призначена для розведення шкідливих речовин до допустимих концентрацій та видалення їх надлишків із робочої зони. Вона обслуговує все приміщення цілком і може бути організована за принципом витіснення чи змішування.

Загальнообмінна вентиляція включає:

• Припливну – для подачі чистого повітря. Приплив може бути неорганізованим (через відкриті отвори) або організованим (через спеціальні розподільники повітря - грати, плафони, сопла);
• Витяжну – для видалення забрудненого повітря. Забруднене повітря видаляється через витяжні грати або патрубки під стелею або біля підлоги приміщення, залежно від щільності шкідливих речовин;
• Припливно-витяжну - з одночасною подачею та видаленням повітря в необхідних пропорціях. Такі системи дозволяють організувати повітрообмін за схемою "згори-вгору" або "знизу-вгору" з урахуванням розподілу шкідливих речовин по висоті приміщення.

Місцева вентиляція служить видалення шкідливих виділень безпосередньо з місць їх утворення - відкритих технологічних ванн, печей, нагрітих поверхонь тощо. Вона дозволяє запобігти розповсюдженню шкідливих речовин по всьому об'єму приміщення та різко знизити необхідну продуктивність загальнообмінної вентиляції.

Основні види:

• Витяжні парасольки – для уловлювання потоків теплого повітря над нагрітим обладнанням (плавильні печі, автоклави, сушильні шафи). Об'єм повітря, що видаляється - до 10000 м3/год;
• Бортові відсмоктувачі – для видалення виділень по всьому периметру ванн (гальванічні, травильні). Швидкість всмоктування – не менше 0,6 м/с;
• Кожухи та укриття - для максимальної ізоляції джерела шкідливих виділень від приміщення (розмольне та дробильне обладнання, верстати). Об'єм повітря, що відсмоктується - 100-1500 м3/год;
• Витяжні шафи – для проведення робіт із токсичними речовинами у лабораторіях. Швидкість у робочому отворі – не менше 0,5 м/с.

Аварійна вентиляція - це резервна система, яка повинна автоматично вмикатися при раптовому надходженні повітря великих кількостей шкідливих або вибухонебезпечних речовин. Вона розраховується на 8-12 кратний повітрообмін і має окрему мережу повітроводів.

Конкретний склад і параметри вентиляції визначаються на основі аналізу технологічного процесу, шкідливостей, що виділяються, режиму роботи обладнання. Наприклад, при зварювальних роботах необхідно передбачити місцеві відсмоктування з об'ємом видалення до 1500 м3/год на 1 пост, а для гальванічного цеху - загальнообмінну вентиляцію з 5-6 кратним обміном та місцеві відсмоктування з об'ємом видалення до 12000 м3/год.

Етапи проектування промислової вентиляції

Розробка ефективної та надійної системи промислової вентиляції – це комплексне інженерне завдання, що потребує глибоких знань та досвіду. Процес проектування включає такі основні етапи:

Збір та аналіз вихідних даних. На цьому етапі визначаються:

• Призначення та габарити вентильованих приміщень;
• Характеристики технологічного процесу та обладнання;
• Види і кількість шкідливих речовин, що виділяються;
• Категорія виробництва з вибухо- та пожежонебезпечності;
• Розташування робочих місць та постійних джерел шкідливостей;
• Параметри зовнішнього клімату та необхідні параметри внутрішнього повітря.

Розрахунок повітрообміну. На основі зібраних даних визначається необхідна кількість припливного та витяжного повітря для кожного приміщення. Розрахунок ведеться за нормативними кратностями (для вентиляції, опалення, кондиціювання) і за кількістю шкідливих речовин, що виділяються, з урахуванням їх ГДК в робочій зоні. Результатом розрахунку є:

• Об'єм припливного повітря для забезпечення санітарних норм (30-60 м3/год на особу);
• Об'єм витяжного повітря для видалення надлишків шкідливостей та теплоти;
• Кратність повітрообміну за приміщеннями (зазвичай 1-3 год-1, до 5-10 год-1 для пожежонебезпечних виробництв);
• Схема організації повітрообміну (згори-вгору, знизу-вгору, витіснення, змішання).

Вибір вентиляційного обладнання. За заданими витратами повітря вибираються:

• Припливні та витяжні вентилятори (осьові, радіальні, дахові). Підбір ведеться за номограми з урахуванням необхідної витрати (м3/год) та напору (Па). Для великих систем застосовуються вентилятори №8-12 із витратою до 100000 м3/год;
• Приточувальні камери (для підігріву, очищення, зволоження повітря). Стандартні камери мають продуктивність 10-125 тис. м3/год та включають фільтри, теплообмінники, зволожувачі;
• Повітряні клапани, решітки, дифузори для розподілу та регулювання повітря;
• Повітропроводи - сталеві чи пластикові, круглого чи прямокутного перерізу. Діаметр повітроводів – від 100 до 1600 мм, швидкість повітря – 5-12 м/с;
• Місцеві відсмоктувачі - парасольки, укриття, шафи в залежності від типу обладнання;
• Системи автоматичного контролю та управління (датчики, контролери, частотні приводи).

Усі елементи системи підбираються з умови мінімізації енергоспоживання та капітальних витрат за максимальної ефективності. Широко використовується комп'ютерне моделювання повітряних потоків (CFD) для оптимізації аеродинаміки.

Далі виконується розміщення вентиляційного обладнання на планах та розрізах будівлі, трасування повітроводів, складаються аксонометричні схеми та специфікації. Готовий проект вентиляції повинен забезпечувати безпечні та комфортні умови праці за мінімальної витрати енергії та дотримання всіх норм і правил.

Особливості вентиляції у різних галузях промисловості

Кожне промислове виробництво має власну специфіку, що визначає особливі вимоги до вентиляції. Розглянемо характерні приклади організації повітрообміну у ключових галузях.

Металургія та машинобудування. Основні шкідливі фактори – висока температура, пил, оксиди азоту, вуглецю та сірки. Для гарячих цехів (доменне, сталеплавильне, прокатне виробництво) характерні тепловиділення до 1 МВт на 1 т продукції. Тут застосовується аерація з 60-кратним повітрообміном та місцеві відсмоктування від печей з витратою до 150000 м3/год. У цехах холодної обробки металів (механічна обробка, зварювання, фарбування) переважають загальнообмінна вентиляція з 3-5-кратним обміном та місцеві відсмоктування від верстатів та зварювальних постів (до 3000 м3/год на 1 пост).

Хімічна та нафтохімічна промисловість. Виділяються токсичні пари розчинників, кислот, лугів, велика кількість тепла (до 50 кВт/м3) та вологи. Для запобігання утворенню вибухонебезпечних сумішей застосовується 10-15 кратний повітрообмін та місцеві відсмоктувачі у вигляді витяжних шаф та укриттів апаратів. При виробництві поліетилену для цеху полімеризації необхідний 13-кратний обмін, а відділення сушки - 17-19-кратний. Системи вентиляції виконуються у вибухозахищеному виконанні.

Фармацевтична промисловість. Головні вимоги - стерильність повітря, локалізація пиловиділень, запобігання перехресній контамінації продукції. У чистих приміщеннях класів А і В застосовується повітряний ламінарний потік зі швидкістю 0,3-0,6 м/с. Для цехів таблетування та упаковки характерний 5-8 кратний повітрообмін з 3-4 ступінчастим очищенням припливного повітря (груба, тонка фільтрація, HEPA-фільтри). Місцева витяжка здійснюється витяжними шафами та укриттями над таблетковими пресами та сушильними апаратами.

Харчова промисловість. Вентиляція повинна видаляти надлишки вологи та теплоти, запобігати утворенню конденсату, усувати запахи. На підприємствах з виробництва хліба та кондитерських виробів основні точки виділення теплоти та вологи – печі (до 180 кВт та 200 кг/год вологи), розстійні шафи (до 75 кВт). Тут застосовуються місцеві відсмоктувачі (до 2000 м3/год) у поєднанні з припливно-витяжною вентиляцією з 3-8 кратним обміном. На молокозаводах та сироварних комбінатах необхідний 4-6 кратний повітрообмін, на ковбасних фабриках - 8-10 кратний, з можливістю рециркуляції повітря.

Деревообробка та меблеве виробництво. Головний шкідливий фактор – деревний пил, його концентрація може досягати 100 мг/м3 при ГДК = 6 мг/м3. У деревообробних цехах встановлюються потужні місцеві відсмоктувачі від верстатів, укриття та пиловловлювачі (циклони, фільтри) з об'ємом повітря, що відсмоктується, до 5000 м3/год на 1 верстат. Для вентиляції фарбувальних камер застосовуються водяні завіси та гідрофільтри. Загальнообмінна вентиляція проводиться за схемою зверху донизу з 5-7 кратним повітрообміном.

Енергоефективність промислової вентиляції

Витрати на вентиляцію та кондиціювання у структурі енергоспоживання промислових підприємств досягають 30-60%, тому питання енергозбереження тут особливо актуальне. Основні шляхи підвищення енергоефективності систем вентиляції:
Утилізація тепла витяжного повітря. Для цього застосовуються:

• Рекуператори (пластинчасті, роторні, із проміжним теплоносієм). ККД рекуператорів досягає 60-80%, що дозволяє заощаджувати до 60% теплової енергії на нагрівання припливного повітря;
• Регенератори (з насадкою або обертові). ККД регенераторів - 70-90%, але вони мають обмеження щодо забрудненості повітря, що видаляється.

Наприклад, застосування роторного рекуператора в системі вентиляції цеху з виробництва друкованих плат дозволяє утилізувати до 500 кВт теплової потужності та скоротити витрати на підігрів повітря у 3 рази.

Використання частотно-регульованого приводу (ЧРП) для вентиляторів. Це дозволяє плавно змінювати продуктивність вентиляторів залежно від реальної потреби в повітрообміні. Наприклад, зниження швидкості обертання вентилятора лише на 20% дозволяє вдвічі зменшити його енергоспоживання. Особливо ефективне застосування ЧРП у змінних режимах роботи – при коливаннях температури, часу доби, кількості персоналу.

Зонування та автоматизація вентиляції. Поділ великих цехів на зони з автономними вентсистемами дає змогу гнучко керувати повітрообміном у кожній зоні за сигналами датчиків (CO2, температури, вологості). Це виключає подачу та обробку надлишкової кількості повітря. Наприклад, автоматичне відключення вентиляції під час технологічних перерв дозволяє економити до 30% електроенергії.

Комплексне застосування цих методів дає можливість у 1,5-2 рази знизити енергоємність ВКВ та підвищити клас енергоефективності будівлі до рівня А або В.

Обслуговування та модернізація систем промислової вентиляції

Для підтримки стабільної та ефективної роботи вентсистем протягом усього терміну служби (15-20 років) потрібне їх регулярне технічне обслуговування (ТО). Періодичність ТО залежить від умов експлуатації та становить від 1 до 3 місяців.

Типовий регламент ТО включає:

• Огляд та перевірку всіх елементів системи (вентиляторів, фільтрів, автоматики);
• Очищення та заміну фільтрів (1-2 рази на місяць для передфільтрів, 1-2 рази на рік для HEPA-фільтрів);
• Перевірку та регулювання робочих параметрів (температура, вологість, швидкість повітря);
• Виявлення та усунення несправностей (вібрація, перегрів тощо);
• Перевірку КВП та елементів протипожежного захисту.

Наприклад, забруднення повітряного фільтра на 30% знижує продуктивність вентилятора на 15% та збільшує його енергоспоживання на 20%. Тому своєчасний контроль та заміна фільтрів економічно вигідні.
Крім того, необхідно проводити планову модернізацію вентиляційного обладнання з урахуванням його морального та фізичного зношування. Модернізація може включати:

• Заміну застарілих вентиляторів та електродвигунів на сучасні енергоефективні моделі;
• Встановлення ЧРП та систем автоматичного управління;
• Використання систем утилізації теплоти;
• Оптимізацію схеми повітророзподілу та повітроводної мережі;
• Перехід на екологічно чисті та безпечні холодоагенти у системах кондиціювання.

Наприклад, заміна відцентрового вентилятора ВЦ-14-46 (ККД=0,76) на радіальний вентилятор ВР-80-75 (ККД=0,85) дає економію електроенергії на 12-15% за тієї ж продуктивності.

Комплексна модернізація вентсистем дозволяє підвищити їхню енергоефективність на 30-40%, продовжити термін служби на 5-7 років та покращити параметри повітряного середовища в цехах.