Вытесняющая вентиляция в школах

Вытесняющая вентиляция в школах позволяет улучшить качество воздуха в классах и сократить затраты энергии СКВ

А. В. Ливчак, канд. техн. наук, член Американского общества инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха (ASHRAE), директор по науке фирмы «Халтон (Halton)», США

Вытесняющая вентиляция

Читателям журнала «АВОК» хорошо знакома система вытесняющей вентиляции по предыдущим публикациям (см. статьи «Системы вытесняющей вентиляции для промышленных зданий. Типы, область применения, принципы проектирования», «АВОК», 2001, № 5, с. 36 и «Вытесняющая вентиляция в непроизводственных зданиях», «АВОК», 2003, № 1, с. 22).

В связи с некоторой путаницей в терминологии и области применения систем вытесняющей вентиляции далее приводится подробное описание системы.

Речь пойдет о классической системе вытесняющей вентиляции с низкоскоростными воздухораспределителями, установленными непосредственно в рабочей зоне помещения.

Рисунок 1. Наиболее распространенной системой воздухораспределения является общеобменная вентиляция

Наиболее распространенной системой воздухораспределения является смесительная (общеобменная) вентиляция (mixing ventilation, MV) (рис. 1). Целью этой воздухораспределительной системы является эффективное смешение приточного воздуха с воздухом помещения и создание равномерной температуры и концентрации вредностей по всему помещению. В школьных помещениях, как правило, используются плафонные воздухораспределители, раздающие приточный воздух в режиме охлаждения с температурой 13 °С. Температура и концентрация вредностей удаляемого воздуха в общеобменных системах вентиляции принимаются равными температуре и концентрации углекислого газа в рабочей зоне помещения.

Рисунок 2. В системах кондиционирования воздуха с вытесняющей вентиляцией охлаждающий воздух раздается с низкой скоростью непосредственно в рабочую зону помещения (в школах с температурой 18–20 °С)

В системах кондиционирования воздуха с вытесняющей вентиляцией охлаждающий воздух раздается с низкой скоростью непосредственно в рабочую зону помещения (в школах с температурой 18—20 °С) (рис. 2). Поскольку холодный приточный воздух тяжелее воздуха помещения, он «настилается» на пол и заполняет нижнюю, рабочую зону помещения. Тепловые источники в помещении постепенно нагревают воздух и перемещают нагретый, загрязненный воздух в конвективных потоках в верхнюю зону помещения. Вместо того, чтобы смешивать приточный воздух с воздухом помещения, как это делается в смесительных системах, система вытесняющей вентиляции вытесняет теплоту и углекислый газ, перемещаемый в конвективных потоках от людей, в верхнюю, необитаемую зону помещения, откуда они удаляются через вытяжку, расположенную у потолка. Температура и концентрация вредностей удаляемого воздуха в вытесняющих системах выше температуры и концентрации углекислого газа воздуха рабочей зоны помещения. Таким образом, при одинаковом воздухообмене система вытесняющей вентиляции обеспечивает более чистый воздух в зоне дыхания обитателей помещения. Исключение составляют помещения с вредными выделениями тяжелее воздуха и вредностями с плотностью близкой к плотности воздуха при расчетной температуре помещения и выделяющимися вне конвективного потока над источником тепла.

Температура воздуха в помещении при системе вытесняющей вентиляции, в отличие от смесительной системы, не постоянна, а увеличивается по высоте помещения. Эта характеристика вытесняющей вентиляции позволяет сократить расход энергии на охлаждение воздуха помещения, поскольку, вместо того чтобы поддерживать расчетную температуру воздуха по всей высоте помещения, как это делается в смесительных системах, она поддерживается только в нижней, рабочей зоне.

Принцип работы вытесняющей вентиляции хорошо известен российским инженерам — это по существу естественная вентиляция с механической подачей и удалением воздуха, где естественные конвективные потоки над источниками тепла используются для побуждения движения воздуха в помещении. Основы расчета вытесняющей вентиляции схожи с расчетом естественной вентиляции промышленных цехов, описанным в 1940-х годах в работах В. В. Батурина.

Разновидности вытесняющей вентиляции

Одной из разновидностей систем вытесняющей вентиляции является напольная система воздухораспределения (UFAD-система) (см. статью «Системы вентиляции с воздухораспределителями в полу. Температурная стратификация», «АВОК», 2002, № 6, с. 44).

В зависимости от расхода, а точнее от дальнобойности приточных струй, создаваемых напольными воздухораспределителями, UFAD-система может изменяться от классической вытесняющей системы до смесительной системы воздухораспределения. Чем выше расход воздуха, приходящийся на напольный воздухораспределитель, тем больше приточный воздух смешивается с воздухом помещения, тем ближе UFAD-система приближается по характеристике к смесительной системе воздухораспределения.

И наоборот, чем меньше расход воздуха, приходящийся на напольный воздухораспределитель, и меньше дальнобойность приточной струи (до 0,5 м), тем меньше приточный воздух смешивается с воздухом помещения, тем ближе UFAD-система к классической вытесняющей системе с низкоскоростными воздухораспределительными устройствами, установленными у поверхности пола. Напольные воздухораспределительные системы хорошо зарекомендовали себя в больших офисных помещениях, где частая перепланировка помещений и многочисленные провода, прокладываемые в пространстве между фальшполом и перекрытием, оправдывают дополнительные капитальные затраты, связанные с установкой фальшпола — неотъемлемого атрибута UFAD-систем.

В помещениях школ дополнительные затраты, связанные с UFAD-системами, как правило, себя не оправдывают, и предпочтение отдается классической вытесняющей системе воздухораспределения.

Важной характеристикой воздухораспределительной системы является максимальная тепловая нагрузка помещения, при которой данная система способна поддерживать расчетную среднюю температуру внутреннего воздуха в рабочей зоне помещения, не превышая при этом критерий теплового комфорта (максимально допустимую подвижность воздуха и максимальный температурный градиент по высоте рабочей зоны помещения, регламентированные стандартом ASHRAE 55-1992 [1]). Изначально исследования, проведенные Кегелем, Шульцом, Свенссоном в 1980-х годах [2, 3], ограничивали максимальную тепловую нагрузку помещения, обслуживаемого вытесняющей вентиляцией, до 40 Вт/м². Однако недавние исследования, проведенные в США Ченом и Гликсманом [4], показали, что вытесняющая вентиляция может успешно применяться при тепловой нагрузке помещения до 120 Вт/м².

Вытесняющая система в комбинации с другими системами поддержания микроклимата

Статья «Распределение воздуха под полом и вытесняющая вентиляция. Почему эти системы не одно и то же?», опубликованная в журнале «АВОК», 2003, № 7, с. 28, интерпретирует вытесняющую вентиляцию как предназначенную только для обеспечения минимально необходимого воздухообмена, не связанного с тепловой нагрузкой обслуживаемого помещения. Автор рекомендует использование дополнительной системы, например системы лучистого охлаждения/отопления, используемой совместно с вытесняющей вентиляцией для охлаждения помещения и являющейся основной системой, предназначенной для поддержания заданной температуры помещения летом и в течение отопительного периода.

По нашему мнению, такое узкое трактование вытесняющей вентиляции не оправдано и ограничивает область ее применения для кондиционирования воздуха. Как упоминалось выше, система вытесняющей вентиляции, работающая как в системах кондиционирования воздуха с постоянным, так и с переменным расходом воздуха, способна эффективно охлаждать помещения с тепловой нагрузкой до 120 Вт/м². В подавляющем большинстве случаев вытесняющая вентиляция используется в качестве единственной системы для охлаждения обслуживаемого помещения.

Другое дело — работа системы в отопительном режиме.

В климатических условиях с холодным зимним периодом целесообразно использовать специальные отопительные системы для компенсации теплопотерь помещения и предотвращения негативного влияния холодных конвективных потоков от наружных ограждающих конструкций на тепловой комфорт помещения. В этом случае в течение отопительного периода воздухораспределители вытесняющей вентиляции подают минимально необходимый расход наружного воздуха с температурой, незначительно (на 1–2 °С) ниже расчетной температуры воздуха помещения. Таким образом, вытесняющая вентиляция продолжает «вытеснять» загрязнения в восходящие над тепловыми источниками конвективные потоки в верхнюю, необслуживаемую зону помещения.

В климатических условиях с расчетной зимней температурой наружного воздуха не ниже –6 °С в хорошо теплоизолированных зданиях (табл. 1) допустимо использование воздухораспределителей системы вытесняющей вентиляции в режиме воздушного отопления. В этом случае температура приточного воздуха будет выше температуры воздуха помещения, и нагретый приточный воздух, вместо того чтобы «настилаться» на поверхность пола, будет устремляться к потолку помещения. При этом система вытесняющей вентиляции перестает быть «вытесняющей» и превращается в смесительную систему.

Прототип помещения школьного класса в Калифорнии

Типовой класс выбран как помещение, соответствующее или превышающее минимальные требования штата Калифорния по энергоэффективности. Деревянный каркас используется в качестве несущей конструкции помещения, высота потолков — 3 м. Типовой класс площадью 9,1 х 9,7 м в одноэтажном здании школы рассчитан на 20 учеников. Основные характеристики ограждающих конструкций класса приведены в табл. 1.

Использование вычислительной аэрогидродинамики (CFD) для расчета системы вытесняющей вентиляции

Расчет системы вытесняющей вентиляции отличается от традиционного расчета смесительной системы, где все помещение представляется как единая зона. Суть расчета вытесняющей вентиляции заключается в определении минимального расхода воздуха при заданной температуре притока, необходимого для обеспечения расчетной температуры воздуха в помещении и соблюдения при этом условий комфортности. Сложность расчета заключается в том, что изначально не известна температура удаляемого воздуха. Эта температура определяется путем решения системы уравнений теплового баланса отдельных зон помещения с учетом лучистого теплообмена между внутренними поверхностями помещения. Инженерные эмпирические методы расчета вытесняющей вентиляции приведены в работах [4, 5, 6, 7]. Альтернативным и более точным методом расчета вытесняющей вентиляции является подробный расчет конвективного и лучистого теплообмена всего помещения с использованием вычислительной аэрогидродинамики (CFD — computational fluid dynamics).

Развитие современной вычислительной техники и коммерческих программных пакетов для CFD-моделирования позволяют использовать персональные компьютеры для решения комплексных задач воздухораспределения сложных помещений различного назначения. Одной из целей проекта было определение точности CFD-модели и эффективности ее использования для расчета вытесняющей вентиляции. Программный пакет «Эрпак (Airpak)» 2.1.10 2002, специально адаптированный для расчета систем вентиляции и кондиционирования воздуха помещений, испытывался в описываемой работе. Эта программа способна моделировать динамику воздушных потоков и распространение загрязнений в воздухе помещения, а также теплопередачу, в том числе за счет лучистого теплообмена.

Для исследования системы вытесняющей вентиляции и оценки эффективности и точности моделирования CFD-программы «Airpak» макет типового класса в масштабе 1:1 был сооружен в исследовательском центе фирмы «Халтон» в США. В связи с симметричностью задачи воздухораспределения в помещении типового класса макет размером 4,9 х 9,7 м представляет примерно 1/2 класса. План макета изображен на рис. 3.

Рисунок 3. (подробнее) План макета класса

Теплонапряженность макета (тепловые выделения на единицу площади помещения) в точности соответствует теплонапряженности реального класса. В макете класса установлены два компьютера и 10 парт с металлическими цилиндрами с лампой 60 Вт внутри цилиндра для моделирования теплопоступлений от учеников. Макет класса освещается флуоресцентными лампами с тепловыделениями 9,7 Вт на м² площади пола. Тепловыделения от солнечной радиации и теплопередачи через наружные ограждающие конструкции моделировались специальным проводом с электрообогревом, смонтированным на наружной стене макета и на полу вблизи наружной стены.

Существующая практика строительства школ с вытесняющей вентиляцией [8, 9] использует два воздухораспределителя, установленных у внутренней, противоположной наружной, стены помещения. Приточный воздух подается в макет класса, представляющего 1/2 настоящего класса по площади, через один воздухораспределитель, установленный на полу в углу помещения. Такая конструкция макета позволит оценить эффективность системы вытесняющей вентиляции реального класса с двумя воздухораспределителями. Воздух удаляется из помещения макета через отверстие в потолке в противоположном углу от воздухораспределителя.

Рисунок 4. Фотография макета класса 1 — вытяжное отверстие; 2 — измерительный шест с датчиками температуры и скорости воздуха; 3 — металлический цилиндр с обогревом для моделирования теплопоступлений от учеников; 4 — обогревательный провод для моделирования теплопоступлений через оконный проем; 5 — обогревательный провод для моделирования теплопоступлений от солнечной радиации

Температура и скорость воздуха измерялись по восьми вертикалям в помещении макета (рис. 3). Каждая вертикаль замера содержит данные восьми измерений температуры и скорости воздуха на расстоянии от пола 10, 25, 50, 75, 120, 170, 225 и 275 см. Замерялись также расход и температура приточного и вытяжного воздуха. Фотография макета класса приведена на рис. 4.

Идентичная макету класса модель помещения была введена в CFD-программу «Airpak». В CFD-модели были воспроизведены те же тепловыделения, что и в макете класса. В макете и CFD-модели приточный воздух расходом 294 л/с с температурой 18,1 °C раздается через воздухораспределитель. Массовый расход вытяжного воздуха равен массовому расходу приточного воздуха.

Результаты измерения температуры воздуха в макете по восьми вертикалям замера (точки D2, D5, G2, G5, L2, L5, P2 и P5 на рис. 3) и полученные в результате расчета по программе «Airpak» представлены на рис. 5.

Таблица 1 Данные типового класса

Параметр Значение Примечания Размер класса 9,1 x 9,7 x 3 - Ориентация Наружная стена обращена на юг - Коэффициент теплопередачи: - Крыша 0,28 Вт/(м2•°C) Площадь 88,3 м2 Наружные стены 0,58 Вт/(м2•°C) Площадь 19,7 м2 Окна 3,12 Вт/(м2•°C) Площадь 7,6 м2 Освещение 10,8 Вт/м2 - Оборудование 4 компьютера по 125 Вт - Время нахождения учащихся в классе с 8 до 15 100 % нагрузка в рабочее время

Как свидетельствуют графики на рис. 5, результаты CFD-программы достаточно точно предсказывают температуру воздуха в обслуживаемой зоне помещения. Расхождения результатов расчета и измерений температуры воздуха у потолка помещения объясняются тем, что в CFD-модели, с целью сокращения времени расчета, использовалась более грубая расчетная сетка в верхней зоне помещения. Это расхождение не оказывает влияния на энергетический баланс помещения, поскольку температура удаляемого воздуха, предсказанная CFD и измеренная в модели класса, были равны. Расхождения температуры воздуха у пола (замеры P2 и P5) объясняются тем, что в CFD-модели солнечная радиация моделировалась равномерно распределенной по полу помещения вблизи оконного проема, в то время как в макете солнечная радиация моделировалась несколькими проводами с электрообогревом, разнесенными друг от друга. При этом точки замера воздуха в макете помещения находились в проеме между обогревающими проводами.

Измеренная и рассчитанная на CFD-модели скорость воздуха в рабочей зоне помещения не превышала 0,25 м/с.

Рисунок 5. (подробнее) Сравнение результатов измерений и CFD-модели. Температура воздуха в макете класса с системой вытесняющей вентиляцией

Сравнение систем вытесняющей и смесительной вентиляции в помещении класса с использованием CFD-модели

После того как была подтверждена точность расчета вытесняющей вентиляции с использованием CFD-пакета «Airpak», мы приступили к расчету полноразмерного типового класса. Два воздухораспределителя, установленных в углах помещения класса у внутренней стены, раздают 520 л/с приточного воздуха с температурой 18,3 °С. Расход и температура приточного воздуха определялись из расчета обеспечения средней температуры воздуха от 23,3 до 23,8 °C в рабочей зоне помещения. Модель класса изображена на рис. 6, значение тепловыделений типового класса приведено в табл. 2. Для сравнения произведен расчет CFD-модели аналогичного класса с использованием традиционной смесительной вентиляции. В классе со смесительной вентиляцией 400 л/с приточного воздуха c температурой 13,9 °C (типичная температура приточного воздуха в системе кондиционирования воздуха с типовыми крышными кондиционерами) раздается через четыре плафонных воздухораспределителя, установленных в потолке с целью поддержания такой же (как и в классе с вытесняющей вентиляцией) температуры воздуха в рабочей зоне помещения.

Таблица 2 Значение теплопоступлений типового помещения класса

Теплопоступления Явные, Вт Скрытые, Вт Наружная стена 150 - Крыша 403 - Окна, теплопроводность 321 - Окна, солнечная радиация 1 365 - Люди 1 093 769 Освещение 754 - Оборудование 422 - Всего 4 508 769

Результаты расчета CFD-модели помещения класса приведены на рис. 7–10. Распределение температуры воздуха в классе, оборудованном системой вытесняющей вентиляции, показано на рис. 7 и 8. Результаты расчета демонстрируют, что два вытеснительных воздухораспределителя, раздающие 520 л/с с температурой 18,3 °С, обеспечивают заданную температуру воздуха в рабочей зоне помещения.

Выделения углекислого газа в классе моделировались в соответствии с ANSI/ASHRAE стандартом 62-2001 и составляли 0,31 л/мин на человека. Содержание углекислого газа в приточном воздухе принималось 350 ppm (молекул CO₂ на млн молекул воздуха). Рис. 9 демонстрирует распределение концентрации углекислого газа в вертикальном плане помещения у наружной, наиболее удаленной от воздухораспределителей, стены класса. Система вытесняющей вентиляции «вытесняет» углекислый газ, выделяющийся в процессе дыхания обитателей помещения, в верхнюю зону помещения. Таким образом, концентрация CO₂ в зоне дыхания в классе с вытесняющей вентиляцией (рисунок слева) ниже, чем в классе со смесительной вентиляционной системой (рисунок справа).

Для определения эффективности систем воздухораспределения широко используется термин «возраст воздуха». Локальный возраст воздуха в CFD-расчете определяет промежуток времени, за который приточный воздух из воздухораспредилительного устройства достигает данной точки помещения. Рис. 10 демонстрирует результаты расчета возраста воздуха в классе, оборудованном вытесняющей (слева) и смесительной (справа) системами вентиляции. Как видно из рисунка, вытесняющая вентиляция обеспечивает значительно более эффективный воздухообмен в рабочей зоне помещения по сравнению со смесительной системой воздухораспределения. Воздух в нижней зоне как минимум в два раза моложе в классе, оборудованном вытесняющей вентиляцией.

Рисунок 6. (подробнее) CFD-модель типового класса с вытесняющей вентиляцией 1 — окна; 2 — мебель; 3 — вытяжная решетка; 4 — учащиеся; 5 — вытеснительный воздухораспределитель; 6 — учитель; 7 — освещение; 8 — компьютеры; 9 — аудио/видео система

Рисунок 7. Распределение температуры воздуха по вертикали в классе с системой вытесняющейвентиляции

Рисунок 8. Распределение температуры воздуха в классе с системой вытесняющей вентиляцией в горизонтальной плоскости на уровне 1 м от пола

Рисунок 9. (подробнее) Концентрация углекислого газа в классе с вытесняющей (слева) и смесительной (справа) системами воздухораспределения

Рисунок 10. (подробнее) Локальный возраст воздуха (в секундах) в классе с вытесняющей (слева) и смесительной (справа) системами воздухораспределения

Вытесняющая и смесительная системы воздухораспределения — сравнение затрат энергии на кондиционирование воздуха

В табл. 3 приведены результаты сравнительного расчета помещения класса, оборудованного вытесняющей и смесительной воздухораспределительной системой. Данные приведены для климатических условий трех городов: Сан-Франциско, Лос-Анджелеса (Калифорния, США) и Москвы (Россия). Для простоты сравнения общие теплопоступления в помещение класса приняты одинаковыми независимо от климатических условий.

Ниже приведены исходные данные, используемые в расчетах:

• Явные теплопоступления в помещение — 4,5 кВт (соответствующие типовому классу в Калифорнии).

• Расчетная температура воздуха в помещении — 23,3 °С.

• Время работы системы — 5 дней/неделю, 8 ч/сутки (с 7 до 15).

• Расчетные климатические условия взяты из ASHRAE Fundamentals Handbook, 2001.

• Для расчета годового расхода энергии на охлаждение воздуха системы кондиционирования использовались почасовые климатические данные TMY2 вышеприведенных городов. В расчет принимались потребление энергии компрессором холодильной установки, а также электродвигателями приточного и вытяжного вентиляторов.

• Коэффициент преобразования холодильной установки принят 3 и КПД вентилятора — 70 % для всех сравниваемых систем.

• Температура приточного воздуха принималась равной 18,3 °С для вытесняющей системы вентиляции и 13,9 °С — для смесительной системы. Температура воздуха после воздухоохладителя типовых крышных кондиционеров, используемых в смесительных вентиляционных системах, 12,8 °С; с учетом нагрева в вентиляторе и воздуховоде температура приточного воздуха — 13,9 °С.

• Система вытесняющей вентиляции рассчитывалась в двух режимах: с рециркуляцией и без рециркуляции, с подачей 100 % наружного воздуха. Смесительная система рассчитывалась только с рециркуляцией. Обе рециркуляционные системы оборудовались экономайзерами (система автоматически переходит с рециркуляционного режима на режим 100 % наружного воздуха, когда энтальпия наружного воздуха не превышает энтальпию удаляемого из помещения воздуха).

Как свидетельствуют данные табл. 3, вытесняющая вентиляция позволяет сократить расход энергии на охлаждение воздуха системы кондиционирования на 44, 48 и 43 % соответственно для климатических условий городов Сан-Франциско, Лос-Анджелеса и Москвы. Использование вытесняющей вентиляции также позволяет сократить расчетную холодопроизводительность, что, в свою очередь, снижает капитальные затраты на систему кондиционирования воздуха.

Интересно отметить, что из сравниваемых климатических зон использование рециркуляции с вытесняющей системой оправдано только в Лос-Анджелесе. В условиях Лос-Анджелеса, впрочем как и на большинстве территорий США, использование рециркуляционного воздуха в вытесняющей системе позволяет сократить расчетную холодопроизводительность системы кондиционирования. В более мягких климатических условиях Москвы и Сан-Франциско целесообразно проектировать вытесняющие системы со 100 % использованием наружного воздуха, что еще более благоприятно отразится на качестве внутреннего воздуха в помещениях.

Таблица 3 (подробнее) Результаты параметров сравнительного расчета помещения класса, оборудованного вытесняющей и смесительной воздухораспределительной системой

Выводы

• Использование вытесняющей вентиляции позволяет улучшить качество воздуха в помещениях классов и сократить затраты энергии на кондиционирование воздуха по сравнению с традиционной смесительной системой воздухораспределения. Высокая эффективность воздухообмена вытесняющей вентиляции как минимум в два раза сокращает содержание углекислого газа и других вредностей в зоне дыхания обитателей помещения.

• CFD-пакет «Эрпак» (Airpak 2.1.10 Fluent Inc.) благоприятно зарекомендовал себя при расчете воздухораспределения класса с вытесняющей вентиляцией. Эта программа позволяет точно рассчитывать температуру, подвижность воздуха и эффективность воздухообмена в проектируемом помещении.

Литература

1. ANSI/ASHRAE Standard 55-1992. Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy.

2. Kegel B., Schulz U. W. Displacement ventilation for office buildings / Proceedings of the 10th AIVC Conference, Helsinki. Air Infiltration and Ventilation Center. University of Warwick Science Park, Barclays Venture Centre, Sir William Lyons Road, Coventry CV4 7EZ, UK. 1989.

3. Svensson A. G. L. Nordic experiences of displacement ventilation systems // ASHRAE Transactions 95(2):1013-17. 1989.

4. Chen Q., Glicksman L. System Performance Evaluation and Design Guidelines for Displacement Ventilation / RP-949 ASHRAE 2003.

5. Живов А. М., Nielsen P.V., Riskowski G., Шилькрот Е. О. Системы вытесняющей вентиляции для промышленных зданий. Типы, область применения, принципы проектирования // АВОК. 2001. № 5.

6. Вытесняющая вентиляция в непроизводственных зданиях. М.: АВОК-ПРЕСС, 2003.

7. Livchak A., Nall D. Displacement Ventilation — Application for Hot and Humid Climate / Proceedings of Clima 2000. Napoli, Italy. 2001.

8. Turner W. Advanced Ventilation Design for Commercial, Industrial and Institutional Facilities // HPAC Engineering. 1999. № 10. Vol. 71.

9. Holland D., Livchak A. Improving indoor air quality in schools by utilizing displacement ventilation system // Proceedings of Indoor Air. 2002. Monterey, California, June 30 — July 5.