Руководство по проектированию эффективной вентиляции (рабочая версия)

В предыдущих номерах журнала были опубликованы разделы «Для чего нужна эффективная вентиляция», «Типичные загрязняющие вещества и их распределение в вентилируемых помещениях», «Показатели эффективности систем вентиляции» и «Измерения эффективности систем вентиляции».

В этом номере мы публикуем разделы «Математическое моделирование воздушных потоков в помещении» и «Конкретные примеры проектирования эффективной вентиляции».

Мы приглашаем всех специалистов к обсуждению рассматриваемых вопросов и просим присылать ваши замечания, предложения и комментарии по адресу rehva-guidebook@abok.ru.

6. Математическое моделирование воздушных потоков в помещении

Движение воздуха и распределение загрязняющих веществ в помещении могут быть рассчитаны при помощи фундаментальных уравнений движения потока. Эти уравнения включают в себя уравнение непрерывности, три уравнения количества движения (одно на каждое измерение), уравнение энергии и уравнение переноса для распределения загрязнений. Все уравнения усреднены по времени, локальная турбулентность выражается в виде переменного коэффициента диффузии, называемого турбулентной вязкостью. Эта вязкость часто вычисляется при помощи двух дополнительных уравнений переноса, а именно уравнения кинетической энергии турбулентности и уравнения диссипации кинетической энергии турбулентности.

Таким образом, полное описание потока включает в себя восемь сдвоенных нелинейных дифференциальных уравнений. Дифференциальные уравнения содержат производные первой и второй степени, выражающие конвекцию, диффузию и источник с переменным потоком загрязняющих веществ.

Аналитическое решение этих дифференциальных уравнений для режима потока в помещении невозможно, но могут быть применены численные методы. Помещение делится на участки, образующие сетку (рис. 6.1). Дифференциальные уравнения трансформируются в уравнения конечных объемов, сформулированных для окрестностей каждого узла сетки. Для всех шести поверхностей, ограничивающих каждый контрольный объем, формируются термы конвекции и диффузии, для объема строится терм источника (нижняя часть рис. 6.1).

Рисунок 6.1. Распределение узлов сетки и контрольный объем вокруг узла P

Обычно помещение разбивается на 90х90х90 ячеек. Восемь дифференциальных уравнений для всего объема заменяются восемью дифференциальными уравнениями для каждого узла, в результате получаются 5,8 млн уравнений с таким же количеством неизвестных.

Применяется итерационная процедура численного метода, включающая обычно 3 000 итераций. Таким образом, для прогноза движения воздушных потоков необходимо выполнить 17 млрд вычислений в узлах. Очевидно, что применение представленного метода в большой степени зависит от развития компьютерной технологии в плане  как аппаратного, так и программного обеспечения.

Рисунок 6.2. Эффективность удаления загрязняющих веществ как функция критерия Архимеда в помещении с двухмерным потоком

Самые первые прогнозы движения воздушных потоков в помещении были сделаны в 1970-х годах. С тех пор работы в этой области значительно активизировались, в особенности из-за того, что стоимость вычислений каждые восемь лет снижается на порядок, и такая тенденция, вероятно, в ближайшие годы сохранится. Один из первых прогнозов движения воздушных потоков в вентилируемом помещении, основанный на вычислительных методах гидродинамики, был сделан Нильсеном (Nielsen, 1973). Джонс и Витл (Jones and Whittle, 1992) в 1990-х годах обсуждали в своей работе состояние и возможности применения этих методов. Рассел и Шурендран (Russel and Surendran, 2000) опубликовали обзор последних работ в этой области.

Рисунок 6.3. Поле скоростей и расход приточного воздуха в конкретном месте, деленный на полный расход приточного воздуха

Распределение концентрации загрязняющих веществ является одним из основных факторов для выполнения прогнозов движения воздушных потоков в помещении при помощи вычислительных методов гидродинамики (рис. 6.2, 6.4 и 6.6 сделаны на основе расчетов, выполненных с помощью указанных методов). С помощью этих методов возможно выполнение прогнозов эффективности удаления загрязняющих веществ и других показателей качества воздуха в помещении.

На рис. 6.2 представлен показатель качества воздуха e^c_oz в помещении с двухмерным потоком при различных значениях критерия Архимеда (Ar) (в данном случае c_oz является средним значением концентрации загрязняющих веществ на расстоянии 0,35 м от пола). Источник загрязняющих веществ и источник тепла равномерно распределены вдоль пола. Высокая эффективность удаления загрязняющих веществ наблюдается в том случае, когда струя воздуха проходит через середину помещения. Такая структура воздушного потока является оптимальной для теплового комфорта, учитывая, что из помещения должно отводиться избыточное тепло. Несмотря на то что в данном примере используется упрощенная геометрия помещения, очевидно, что проведение необходимых измерений концентрации загрязняющих веществ в зоне обслуживания потребует больших затрат времени, поэтому вычислительные методы гидродинамики являются в данном случае полезным инструментом для оценки эффективности удаления загрязняющих веществ.

Рисунок 6.4. (подробнее) Средний «возраст» воздуха (в минутах) в плоскости симметрии вентилируемого помещения

Вычисление расхода приточного воздуха является другим примером расчетного прогноза, который может быть выполнен проще по сравнению с полномасштабными измерениями в тестовом помещении. Расход приточного воздуха U_p определяется как интенсивность источника в точке, деленная на полученную концентрацию в контрольном объеме вокруг источника (U_p = S_p/c_p). На рис. 6.3 показано распределение скоростей и распределение расхода приточного воздуха в помещении. Из рисунка ясно, что большой расход приточного воздуха связан с областями большой скорости (прогноз Дэвидсона и Ольсона (Davidson and Olsson, 1987)).

Средний «возраст» воздуха в точке t_p может быть представлен уравнением переноса совместно с упомянутыми ранее восемью уравнениями, благодаря которым можно сделать прямое описание среднего «возраста» воздуха в помещении. Мадсен и др. (Madsen et al., 1993) представили прогноз среднего «возраста» воздуха в точке (в минутах) в плоскости симметрии помещения с одним приточным отверстием и двумя вытяжными отверстиями (рис. 6.4). Из рисунка видно, что средний «возраст» воздуха вблизи вытяжного отверстия, находящегося у потолка, сравнительно мал, в то время как в центре рециркуляционного потока он принимает большое значение, что и следовало ожидать.

7. Конкретные примеры проектирования эффективной вентиляции

7.1. Эффективность вентиляции ресторана с совместным обслуживанием курящих и некурящих посетителей

Многие рестораны, пабы и бары слишком малы, чтобы выделять отдельные зоны для курящих и некурящих посетителей. В таких местах в качестве эффективного решения может быть предложено использование воздушной завесы для выделения зон для курящих и некурящих. Такое решение было продемонстрировано в комбинированном ресторане и баре «Kontoret Bar & Brasserri» в Норвегии. В подобных помещениях как обслуживающий персонал, так и посетители переходят из зоны для курящих в зону для некурящих и обратно, здесь также часто открываются и закрываются двери – поэтому смоделировать такие ситуации в лаборатории невозможно.

7.1.2. Помещение

На рис. 7.1 и 7.2 показаны схемы помещения ресторана и бара «Kontoret Bar & Brasserri», в которых проводились испытания. Детальное описание этих испытаний даны в работе Скистада и Бернера (Skistad and Berner, 2002).

	Рисунок 7.1. (подробнее) Схема помещений бара и ресторана, в которых проводились испытания. Вид сверху
	Рисунок 7.2. (подробнее) Секция А-А на рис. 7.1

7.1.3. Методы

В данной работе представлены измерения показателя локального качества воздуха и эффективности воздухообмена.

Показатель локального качества воздуха (см. раздел 4.5 – журнал «АВОК», 2003, № 2, с. 11):

где c_e– концентрация загрязняющих веществ в вытяжном воздухе;

c_p – локальная концентрация загрязняющих веществ в точке p.

Для расчета показателя локального качества воздуха использовались значения концентрации никотина. Применялись два разных метода измерения концентрации никотина – активный и пассивный.

Измерения концентрации никотина – активный метод

В течение восьми часов производился активный отбор проб паров никотина согласно методу Огдена и др. (Ogden et al., 1989). Никотин поглощался трубками XAD-4 (SKC, каталожный номер 226-93) при активном отборе универсальными насосами SKC. Скорость отбора составляла 20 мл/мин. Общий объем проб воздуха составил от 9 до 10 л. Насосы тестировались и калибровались по воздушному потоку до и после отбора проб. Перед анализом в жидкостном хроматографе для проведения масс-спектрометрии трубки были десорбированы этилацетатом согласно методу Огдена и др. (Ogden et al., 1989).

Измерения концентрации никотина – пассивный метод

В течение восьми часов производился отбор дозиметрами проб паров никотина согласно методу Ванга (Wang, 2000).

Перед анализами в хроматографе для проведения масс-спектрометрии в Норвежском институте общественного здоровья мониторы органического пара (3М) пассивных дозиметров 3 500 были десорбированы согласно методу Хаммонда и др. (Hammond et al., 1987).

Эффективность воздухообмена (см. раздел 4.4 – журнал «АВОК», 2003, № 2, с. 11):

где t_n – номинальное постоянное время;

() – средний «возраст» воздуха в помещении.

В ресторане измерения проводились методами повышения и понижения концентрации пробного газа. Пробный газ (N₂O) подавался в приточный канал до образования равномерной концентрации газа по всему помещению. Перемешивающие вентиляторы не применялись. Для измерений параметров пробного газа использовался инфракрасный анализатор.

	Рисунок 7.4. (подробнее) Места измерений концентрации никотина
	Рисунок 7.3. (подробнее) Эффективность воздухообмена в разное время в течение вечера пятницы

7.1.4. Результаты

Измерения показателя локального качества воздуха проводились два дня подряд – в четверг с умеренным количеством посетителей и в пятницу, когда посетителей было больше. Эффективность воздухообмена замерялась в пятницу.

Показатель локального качества воздуха

Пробы никотина брались в местах, обозначенных на рис. 7.4. В таблице представлены показатели, вычисленные на основании измеренных концентраций никотина. Измерения начинались в 17:00 в четверг и пятницу. В качестве концентрации на вытяжке брались значения, полученные вблизи точки В на рис. 7.4. Все данные измерений указали на значения концентрации ниже максимально допустимого уровня.

Эффективность воздухообмена

Пробный газ подавался в приточный канал, а пробы воздуха брались в вытяжном канале. Оба эти канала установлены на крыше четырьмя этажами выше ресторана. Измерения производились в течение всего вечера. Во время этих измерений количество посетителей во всех помещениях увеличилось с 15 в начале вечера до 70 в полночь.

Вычисленная эффективность воздухообмена колебалась в течение вечера от 58 до 61 % (рис. 7.3). (Один из тестов с повышением концентрации пробного газа дал результат 67 %. Однако следует отметить, что тесты, выполненные методом повышения концентрации пробного газа, часто менее точны, чем выполненные методом понижения.)

Расчет номинального времени воздухообмена дал результат от 5,6 до 6,2 мин при кратности воздухообмена от 9,7 до 10,7 обм/ч (от 1 100 до 1 200 л/с). Это приблизительно на 20 % меньше расчетных данных Скистада и Бернера (Skistad and Berner, 2002).

7.1.5. Обсуждение

Измерения концентрации никотина и пробного газа показывают, что вентиляция выполняет свою работу как при умеренной загруженности ресторана, так и при большем наплыве посетителей. Наименьшая концентрация никотина – в зоне для некурящих, она всегда остается в пределах максимально допустимого значения концентрации, определяемого нормативами для общественных зданий.

При этом предполагается, что персонал препятствует курению в зоне для некурящих.

В пятницу наблюдается худший показатель качества воздуха, это можно объяснить присутствием большего количества посетителей, более интенсивным движением воздуха и курением некоторых посетителей в зоне для некурящих.

Оценивать показатели локального качества воздуха в данных условиях нужно с известной осторожностью, т. к. никотин является нестабильным веществом и способен осаждаться на поверхностях.

Анализ эффективности воздухообмена показывает, что воздух перемещается в основном из зоны для некурящих в зону для курящих, и гораздо в меньшей степени в обратном направлении.

Рассмотрим идеализированную схему ресторана в виде вентилируемого пространства с двумя зонами, с притоком в одной зоне и вытяжкой – в другой. Кроме того, мы предполагаем полное перемешивание воздуха в каждой зоне. Зона для курящих занимает около 30 % общего объема помещения. При таких условиях эффективность воздухообмена, равная 61 %, теоретически означает, что согласно Скарету (Ska•ret, 2000) расход из «зоны вытяжки» составляет приблизительно 30 % от расхода вентиляционного воздуха.

Условием высокого значения показателя локального качества воздуха является небольшой поток воздуха (или его полное отсутствие) из загрязненной зоны в зону для некурящих. Фактические измерения этого показателя указывают на то, что обратный поток даже меньше результатов вышеуказанных теоретических построений для воздухообмена.

Из рис. 7.3 видно, что эффективность воздухообмена мало зависит от количества посетителей.

7.1.6. Заключительные замечания

Тест показал, что применение надлежащего вентиляционного оборудования и тщательное проектирование всей системы вентиляции приводят к значительному улучшению качества воздуха в ресторанах и барах. При использовании тщательно спроектированных воздушных завес значительно уменьшается потенциальная опасность для здоровья сотрудников ресторана.

Благодаря правильному проектированию системы вентиляции при тесном сотрудничестве с владельцем ресторана обеспечиваются решения, позволяющие удовлетворять требования предписаний органов здравоохранения и охраны труда.

Дальнейшая работа в этой области должна включать:

- улучшение параметров воздушных завес;

- проведение теста, основанного на указанном принципе, в ресторанах с двумя зонами;

- комбинация воздушных завес и физического разделения зон для курящих и некурящих;

- долговременные замеры концентрации никотина во вдыхаемом персоналом воздухе.

Перевод с англ. Л. И. Баранова.

Научное редактирование выполнено канд. техн. наук Е. Г. Малявиной

тел. (095) 188-3607.