Выбор воздухораспределительных устройств для организации эффективного воздухообмена в помещении

R. A. Basso

 

Последние годы характеризуются постоянно растущим вниманием к вопросам энергосбережения, защиты окружающей среды и качества воздуха в помещениях.

Однако, если верно то, что высокоэффективные системы с низким энергопотреблением и незначительными выбросами в атмосферу способствуют оздоровлению окружающей среды, то не всегда можно считать доказанным, что при этом они повышают качество воздуха. Иными словами, в идеале нужно было бы сосредоточить усилия на продвижении таких технологических решений, которые обеспечивали бы хорошее качество воздушной среды при возможности экономии на общих и эксплуатационных расходах.

За рубежом такие задачи решает стандарт ASHRAE 62-1989 «Обеспечение качества внутреннего воздуха средствами вентиляции» с поправками 1999 года, где говорится о двух методах обеспечения приемлемого качества воздуха в помещении: первый – нормативный метод оценки – предусматривает оценку концентрации во внутреннем воздухе помещения подлежащих контролю загрязняющих веществ, второй метод основан на данных о количестве людей в помещении и эффективности систем вентиляции и направлен на определение качественных и количественных параметров вентиляции, требующейся для определенных помещений.

Рисунок 1. Изотермический воздух, подаваемый в помещение

Несомненный интерес в плане нормативной документации представляют 2-я часть германского стандарта DIN 1946 «Вентиляция и кондиционирование воздуха: технические требования по обеспечению санитарных норм», нормативный акт ENV 1752 «Вентиляция зданий и сооружений: критерии проектирования систем для внутренней среды», опубликованный как технический отчет и впоследствии доработанный Европейским комитетом стандартизации (CEN). Эти и иные документы, уже опубликованные или находящиеся в стадии проработки в других странах, например в Скандинавских странах и Великобритании, при всех, порой весьма существенных, различиях роднит общая оценка требуемых минимальных объемов подаваемого наружного воздуха для обеспечения приемлемого качества внутреннего воздуха в помещении. При этом все упомянутые стандарты дают также определение понятию эффективности воздухообмена.

Организация эффективного воздухообмена

При проектировании систем вентиляции для административных зданий, предприятий обслуживания, музейных, медицинских и других подобных учреждений (т. е. там, где особенно важным является обеспечение определенных климатических условий и комфорта) принимаются во внимание рекомендации по объемам подачи в помещение наружного воздуха и удаления отработанного воздуха в зависимости от числа посетителей или общей площади помещений. Однако при использовании этих данных очень часто не учитывается вопрос, как и каким образом этот воздух подается в помещение, т. е. нет никакого различия между эффективной и менее эффективной системами воздухораспределения.

Подаваемый наружный воздух должен перемешиваться в помещении с отработанным воздухом и таким образом должен снижать содержание загрязняющих веществ в воздухе до допустимого уровня. Если же установленная в здании воздухораспределительная система не в состоянии равномерно распределить наружный воздух в занимаемом пространстве, то неизбежно образуются зоны, где содержание загрязняющих веществ будет превышать предельно допустимую концентрацию.

При расчетах систем воздухораспределения важным было максимально упростить достаточно непростое явление – функцию множества переменных, чтобы его можно было легко квантифицировать в целях определения минимально допустимых объемов вентиляции в зависимости от типа применяемых диффузоров. Это стало возможно, когда за основу взяли предположение, что в системе воздухораспределения, где отсутствует тепловая неравномерность в занимаемом пространстве, конкретное значение температуры воздуха может послужить неплохим трассирующим показателем, в том числе и по отношению к источникам загрязнений, находящимся в воздухе помещения.

Рисунок 2. Вихревой диффузор

Таблица 1 Перемешивающие системы вентиляции с диффузорами потолочного и настенного типа

Тип диффузора Условная ev Охлаждение Dt< °C Условная ev Отопление Dt>0 °C Диффузор струйный: винтовой или вихревой 1,00 1,00 Диффузор конический 0,90 0,75 Диффузор линейный щелевой 0,75 0,60 Регулируемые воздушные клапаны с одинарными или двойными ребрами 0,70 0,60

Такое предположение, нашедшее подтверждение, кстати, и в нормативных документах ASHRAE, действительно для равномерно распределенных источников загрязнений. В этом случае равномерность температуры «идет в ногу» с хорошим перемешиванием воздуха и эффективной вентиляцией.

Что касается допущения, приведенного выше, считать верным обратное, однако, невозможно: ведь может случиться так, что система, обладающая свойствами эффективной вентиляции, не будет удовлетворять требованиям по подвижности внутреннего воздуха. На основании изложенного условная эффективность организации воздухообмена в помещении понимается как отношение между объемом воздушной массы, теоретически необходимой для обеспечения требуемого уровня качества воздуха (при условии его идеального перемешивания), и объемом, обусловленным конкретными установленными системами подачи воздуха: перемешивающего или вытесняющего типа.

Введя в обиход данное понятие, довольно, впрочем, простое и понятное, нам остается только прояснить методику его корреляции с различными системами воздухораспределения.

Один из возможных параметров – это показатель воздухораспределения ADPI (Air Diffusion Performance Index), представляющий собой процентное содержание точек, где показатель фактической температуры воздушного потока, будучи связанным с температурными отклонениями и скоростью перемещения воздуха по отношению к среднему значению и контрольному показателю, остается в установленных пределах.

Рисунок 3. Вихревой диффузор	Рисунок 4. Линейный двухщелевой диффузор

Рисунок 5. Распределительный диффузор в помещении административного типа

Тем не менее, от этого параметра пришлось отказаться в силу того, что он тяготеет к завышению значений в режиме отопления. Немаловажно и то, что европейские производители воздухораспределительных устройств, широко пользующиеся иными параметрами в определении рабочих характеристик производимого оборудования (дальность, затухание приточной струи, подвижность, температура и т. п.), вряд ли согласятся когда-либо на переработку имеющейся нормативной документации под показатель воздухораспределения ADPI (хотя бы потому, что этот показатель неприемлем для систем перемешивающей вентиляции).

По этим соображениям и с учетом приведенного выше предположения, что эффективный тепловой контроль есть признак эффективного смешивания, условная эффективность организации воздухообмена была определена как соотношение разностей температур:

DT_x / DT_z = (T_a- T_x)/(T_a - T_z) , (1)

где

DT_z – разность между средней температурой в условном занимаемом объеме Т_а и температурой воздуха в точке подачи T_z;

DT_x – разность между средней температурой в условном занимаемом объеме и температурой воздуха, измеренной в точках пересечения объема охвата диффузора с объемом условного занимаемого помещения, Т_x. Данная разность температур должна оцениваться на наименее благополучном в тепловом отношении участке, как правило, он совпадает с границей зоны охвата диффузора и начала условного занимаемого объема.

Чем меньше будет это соотношение – или, иначе говоря, чем ближе Т_х будет к Т_а, – тем лучше будет смешивание поступающего воздуха с воздухом помещения.

Рассмотрим, к примеру, систему в нормальном летнем режиме, когда температура подаваемого воздуха составляет 16 °C, а температура в помещении поддерживается на уровне 26 °C. В этом случае мы имеем DT_z=10 °C. Иными словами, если на расстоянии 3 м от распределительного устройства соотношение DT_х/DT_z равно 0,03, то, соответственно, на том же расстоянии температура подаваемого воздуха отличается от температуры в помещении на значение, равное 0,03• DT_z=0,3 °C, т. е. на расстоянии 3 м от диффузора поступающий воздух имеет температуру 25,7 °C.

Зависимость температурного коэффициента и эффективности воздухообмена отображена в сводных таблицах для разных приточных систем в режимах как охлаждения, так и нагрева.

Используя данные, приведенные в табл. 1, 2, 3, можно рассчитать значение расхода приточного воздуха по следующей формуле:

Q_o = Q_o,III • 0,85 • (1/(e_v • С)), (2)

где

Q_o – значение расхода наружного воздуха, определяется типом установленной системы – воздушной или смешанного типа «воздух/вода» – и используемых диффузоров;

Q_o,III – значение расхода наружного воздуха;

e_v – условная эффективность воздухообмена, указанная в табл. 1 и 2;

С – единый корректирующий коэффициент для полностью воздушных систем (для систем смешанного типа «воздух/вода» соответствующие значения приведены в табл. 3).

Коэффициент 0,85 вводится с той целью, чтобы при расчете можно было учесть предполагаемое среднее значение эффективности для значений расхода воздуха и, соответственно, соотнести их с единым контрольным показателем для систем, обеспечивающих полное перемешивание воздуха.

Воздухораспределительные устройства

Воздухораспределительные устройства потолочного типа для систем перемешивающей вентиляции

Воздухораспределительные устройства данного вида относятся к наиболее распространенным в системах вентиляции как воздушного типа, так и смешанного типа «воздух/вода». Легко заметить, что самыми распространенными диффузорами, имеющими, независимо от фирмы-производителя, весьма похожие рабочие параметры, являются:

- Диффузоры струйные винтовые или вихревые: имеют ряд радиально расположенных отверстий либо определенное число винтовых ребер, выполняются в форме квадратной или круглой накладки различных размеров.

- Диффузоры конические: своего рода «исторический» элемент, имеет конусные ребра, число ребер может быть различным, сами конусы фиксированные или регулируемые (плавная винтовая или пружинная регулировка), посредством регулировки можно изменять летний режим работы на зимний и обратно.

- Диффузоры линейные щелевые: гамма моделей – от 1 до 6 выпускных полос (в зависимости от значения расхода воздуха, на которое рассчитана конкретная вентиляционная система), данные модели с эстетической точки зрения занимают, безусловно, одно из первых мест, такие диффузоры можно размещать в помещении практически в любом количестве, например, одной непрерывной полосой.

- Регулируемые воздушные клапаны с одинарными или двойными ребрами: наиболее часто применяемый вид диффузора, главным образом, в силу повсеместной распространенности, дешевизны, простоты установки и широчайшей гаммы типоразмеров.

В табл. 1 перечислены указанные четыре типа воздушных диффузоров и приведены значения эффективности воздухораспределения как в летнем, так и в зимнем функциональных режимах, рассчитанные на основе температурного дифференциала, который по формуле температурного коэффициента равен DT_z.

Приведенные значения действительны для наименее благополучной в тепловом отношении зоны помещения при условии, если воздухораспределительные устройства эксплуатируются в пределах номинальных значений расхода воздуха, заявленных производителем.

Для помещений, не имеющих внутренних перегородок, анализ следует проводить отдельно по каждой условной зоне обслуживания диффузора.

Системы вентиляции с воздухораспределителями напольного типа

К этому виду относятся системы перемешивающей и вытесняющей вентиляции.

Подача воздуха снизу дает более высокое значение эффективности воздухораспределения, чем настенные или потолочные системы. Воздух, подаваемый сверху, в пространстве между зоной подачи и дыхательными путями пользователей перемешивается с большим числом рассеянных в воздухе загрязняющих частиц (в системах вентиляции с воздухораспределителями в полу концентрация загрязняющих веществ при равных значениях расхода воздуха на 20 % ниже).

Отдельного разговора заслуживают системы вентиляции вытесняющего типа: данные, приведенные в табл. 2, ясно показывают, насколько отличаются значения эффективности системы вытесняющей вентиляции, функционирующей в режиме охлаждения либо только в режиме вентиляции в изотермических условиях.

Корректно рассчитанная система, чтобы работать при DТ=-3…-7 °C (в зависимости от типа использования) в изотермических условиях либо в режиме отопления и при этом обслуживать помещение той же площади, потребует увеличения скорости воздуха на выходе, что приведет к трансформации системы из вытесняющей в перемешивающую. К тому же, помимо снижения эффективности, это повлечет за собой сокращение зоны обслуживания.

Таблица 2 Эффективность организации воздухообмена для вытесняющей и перемешивающей систем вентиляции с диффузорами напольного типа

Способ доставки Условная ev Охлаждение Контрольная Т<0 °C Условная ev Отопление Контрольная Т>0 °C Диффузор винтовой напольный 1,2 -7 1,1 7 Диффузор подкресельный и аналогичные 1,3 -7 1,3 7 Диффузор распределительный 1,3 -5 0,8 0

Таблица 3 Корректировочные коэффициенты для систем вентиляции смешанного типа «воздух/вода»

СИСТЕМЫ ВЕНТИЛЯТОРНО-КОНВЕКТОРНЫЕ С ПЕРВИЧНЫМ ВОЗДУХОМ Отдельные диффузоры вентиляторных конвекторов и первичного воздуха Описание системы Коэффи- циент С Поток первичного воздуха не согласован с потоком рециркуляционного воздуха вентиляторного конвектора. Например, когда вентиляторный конвектор вертикального типа смонтирован на наружной стене, а диффузор первичного воздуха – на внутренней стене помещения. 0,90 Поток первичного воздуха согласован с потоком рециркуляционного воздуха вентиляторного конвектора. Например, когда вентиляторный конвектор вертикального типа смонтирован на внутренней стене и диффузор первичного воздуха – на той же стене помещения. 1,05 Первичный воздух подается через диффузор, имеющий центральное расположение в потолке, независимо от расположения вентиляторного конвектора. 0,95 Диффузор для подачи первичного воздуха и воздуха вентиляторного конвектора Поток первичного воздуха не проходит через теплообменник вентиляторного конвектора. 1,00 Поток первичного воздуха проходит через теплообменник постоянно работающего вентиляторного конвектора, и возможна регулировка водяного контура. 1,00* Поток первичного воздуха проходит через теплообменник вентиляторного конвектора, функционирующего в прерывистом режиме, управление вентилятора в режиме «вкл./выкл.». ** СИСТЕМА НА ОСНОВЕ ИЗЛУЧАЮЩИХ ПАНЕЛЕЙ С ПЕРВИЧНЫМ ВОЗДУХОМ Система излучающих панелей напольного, потолочного или настенного типа Любой тип диффузора, любое расположение, охлаждение и отопление 1,00 ** Оценка DТx/DТz должна производиться на минимальной скорости вентиляторного конвектора. ** Такое решение не может гарантировать сохранение значения эффективности вентиляции на постоянном уровне.

Таблица 4 Значения ev подачи воздуха перемешиванием сверху для воздухораспределителей, не указанных в таблице 1. Данные действительны для режимов охлаждения и отопления

DТx/DТz ev (DТ=±10 °C) <=0,03 1,00 0,06 0,90 0,09 0,85 0,12 0,80 0,15 0,75 0,18 0,70 0,21 0,68 0,24 0,64

Системы смешанного типа «воздух/вода»

Значения эффективности, приведенные в таблицах, действительны для систем любого типа. Тем не менее, чтобы корректно рассчитать параметры расхода приточного воздуха для конкретного помещения, необходимо дифференцировать системы смешанного типа «воздух/вода» и полностью воздушные системы. В системах смешанного типа особое внимание следует обратить на взаимодействие потоков первичного воздуха и потоков воздуха, генерируемых другим имеющимся в помещении оборудованием.

Подача воздуха посредством систем, не указанных в таблице 1

В табл. 1 указаны далеко не все имеющиеся на сегодняшний день типы систем подачи воздуха. Чтобы восполнить пробел, а также избавиться от необходимости пересчитывать таблицы каждый раз, когда на рынке появляется новая модель, нами подготовлена еще одна таблица, с помощью которой любой проектировщик сможет рассчитать эффективность воздухообмена по соотношению DТ_x/DТ_z (табл. 4).

Значения соотношения должны быть заявлены производителем воздухораспределительных устройств в сопровождающей изделие технической документации либо сообщаться по просьбе заинтересованных лиц на основании стандартных заводских испытаний.

Практический пример

Возможности использования таблиц и формул, приведенных выше, можно проиллюстрировать на практическом примере.

Предположим, у нас имеется полностью воздушная система с круглыми диффузорами потолочного типа, не описанными в табл. 1. На основании размеров помещения и объемов приточного воздуха путем теплотехнических расчетов установлено, что каждый диффузор должен обеспечить приток 600 м³/ч при дальности 2,5 м.

Посредством обычной селективной диаграммы делаем выбор в пользу модели, имеющей номинальный диаметр 250 мм. Такой диффузор, имеющий полезное сечение А_k=0,034 м², обеспечивает дальность, обусловленную требующимся объемом подачи воздуха, при уровне функционального шума NR<30 и потере нагрузки около 15 Па.

Чтобы узнать эффективность этого диффузора в конкретных рабочих условиях, воспользуемся другим графиком с температурной зависимостью. На основании имеющихся у нас данных делаем вывод, что это соотношение при заданных параметрах дальности и габаритах диффузора равно 0,075. Если DТ_z (или DТ_о, как в диаграмме) 10 °C, это значит, что на границе дальности температура рециркуляционного воздуха будет отличаться от средней температуры воздуха в помещении всего на 0,75 °C.

Из табл. 4 мы узнаем, что эффективность такой системы подачи воздуха составляет 0,85.

Теперь, когда нам известны характеристики системы, мы можем выяснить, насколько достаточным окажется первоначально установленное значение расхода наружного воздуха, можно ли его уменьшить или его следует повысить.

С помощью приведенной выше формулы делаем расчет:

Q₀ = Q_0,III • 0,85•(1/(e_v • C)) = Q_0,III • 0,85•(1/(0,85 • 1)).

В этом конкретном случае первоначально установленное значение расхода наружного воздуха можно не трогать.

Если для того же помещения выбрать винтообразный диффузор (e_v – см. табл. 1) с типоразмером, который обеспечивает те же параметры дальности и скорости движения воздуха в занимаемом пространстве, расход наружного воздуха будет иным:

Q₀ = Q_0,III• 0,85•(1/(e_v • C)) =Q_0,III • 0,85•(1/(1 • 1)) =Q_0,III • 0,85.

Другими словами, использование в системе винтового диффузора позволяет по сравнению с начальным уровнем сократить расход приточного воздуха.

В обоих примерах речь идет о полностью воздушной системе, и значение коэффициента «С» здесь одинаково.

Цель введения в обиход параметра воздухораспределения, который не в последнюю очередь определяет рабочие характеристики воздухораспределителя, – побудить пользователей с особым вниманием подходить к вопросу выбора систем воздухораспределения, что обеспечивает соблюдение требований по комфорту и качеству потребляемого воздуха и одновременно оптимизирует работу системы вентиляции в целом, приводя при этом к значительной экономии энергоресурсов.

Зависимость здесь простая – эффективная система потребляет меньше наружного воздуха, отсюда реальная экономия средств на закупку, эксплуатацию и обслуживание оборудования систем воздухораспределения (вентиляторов, теплообменников, увлажнителей, отопительных котлов, холодильных агрегатов и пр.).

График 1. Вентиляционные параметры диффузора

График 2. Дальнобойность приточной струи. Расчетное количество воздуха, перемещаемого на расстояние Х при объеме подачи воздуха qv

График 3. Температурная зависимость. Расчетная разность температур на расстоянии Х приточного воздуха и воздуха помещения

Перепечатано с сокращениями из журнала CDA.

Перевод с итальянского С. Н. Булекова.

Научное редактирование выполнено

Е. Н. Болотовым – главным экспертом группы компаний «Инрост».