Практика выбора воздухораспределителей

D. Int-Hout, член Американского общества инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха (ASHRAE)

Изменения нормативной базы в первую очередь касаются новой редакции (2004 г.) стандарта ANSI/ASHRAE 62.1 «Вентиляция для обеспечения приемлемого качества внутреннего воздуха». В новой редакции cтандарта для определения величины воздухообмена в помещении предложены две таблицы. В табл. 6.1 и 6.2 (ANSI/ASHRAE 62.12004) представлены соответственно минимальные расходы наружного воздуха на человека (в зоне дыхания) и на единицу площади пола помещения, а также значения эффективности распределения воздуха, применяемые к значениям величины воздухообмена, представленной в табл. 6.1. Часть таблиц 6.1 и 6.2 представлена в табл. 1 и 2 данной статьи. Расходы воздуха (табл. 6.1) непосредственно не влияют на выбор схемы организации воздухообмена и на тип воздухораспределителя. Однако, «правила» табл. 6.2 оказывают существенное влияние на расход воздуха в помещениях, в которых нагретый воздух подается из верхней зоны. Ограничения касаются температуры приточного воздуха, которая не может превышать температуру внутреннего воздуха более чем на 8 °C и скорости выпуска воздуха из воздухораспределителя, обеспечивающей дальнобойность приточной струи (до уровня 1,4 м над полом). Последнее требование обусловлено необходимостью предотвращения «короткого замыкания» вентиляционного воздуха на вытяжное отверстие, расположенное у потолка. При невозможности соблюдения указанных требований расход вентиляционного воздуха должен быть увеличен на 25 %.

Второй причиной, вызывающей необходимость изменения стратегии воздухораспределения, является изменение внутренних нагрузок. Согласно результатам многих исследований и наблюдений, величина внутренних нагрузок отличается от бывших когда-то и от расчетных нагрузок. В офисах портативные компьютеры и плоские мониторы заменили настольные компьютеры и электронно-лучевые дисплеи, сетевые принтеры заменили персональные принтеры, в помещениях стало находиться меньше людей.

Для обеспечения приемлемой температуры во многих внутренних помещениях достаточно подачи воздуха с температурой 13 °С и расходом около 10,9 м³/ч • м² пола помещения. Однако большинство систем вентиляции были рассчитаны на подачу18 м³/ч • м².

При уменьшенном расходе воздуха многие воздухораспределители имеют недостаточную дальнобойность для обеспечения равномерной температуры и необходимого перемешивания воздуха в помещении. Реконструкция системы вентиляции в здании суда, вызванная недостаточным качеством внутреннего воздуха, потребовала замены нескольких сотен воздухораспределителей «малой» дальнобойности на воздухораспределители «большей» дальнобойности.

Современная практика

Методы достижения приемлемой эффективности воздухораспределения и выбора воздухораспределителей хорошо известны. Однако повсеместно имеются жалобы на дискомфорт: некоторым находящимся в помещении людям жарко, в то время как другие жалуются на холод.

Благодаря правильному выбору схемы подачи вентиляционного воздуха потолочными воздухораспределителями можно добиться приемлемых условий комфорта в помещении при изменении внутренних нагрузок в пределах от 20 до 100 % расчетных максимальных нагрузок (при изменении температуры воздуха в помещении, не замечаемой большинством находящихся в нем людей). Такая система обеспечивает также эффективность воздухообмена, равную 100 % (весь вентиляционный воздух, подаваемый в верхней зоне помещения, поступает в обслуживаемую зону).

Эффективность воздушного отопления помещений с потолочными воздухораспределителями достаточно хорошо известна. Например, в США ограничения на изменения расхода и температуры приточного воздуха регламентируются приложением «n» к стандарту ANSI/ASHRAE 62.1-2004 и ASHRAE Handbook «Fundamentals»*.

Почему же люди в здании жалуются на дискомфорт?

Причина, вероятнее всего, заключается в неверном выборе воздухораспределителей, который может привести к многим проблемам. Первой из этих проблем является «сваливание». При неправильно определенных условиях подачи воздуха, большой разности температуры и маленькой скорости выпуска, неправильно подобранных воздухораспределителях холодный приточный воздух опускается к полу, не успевая перемешаться с воздухом помещения. В результате: под воздухораспределителями холодно, а между ними – жарко. Кроме этого, холодный воздух скапливается у пола, вызывая вертикальную температурную стратификацию в помещении (и холод у ног). Другая проблема возникает при большой скорости притока. Воздушные струи сталкиваются в точке между воздухораспределителями; холодные потоки воздуха устремляются вниз между воздухораспределителями в места, где раньше было жарко. В результате там становится холодно, а между воздухораспределителями – жарко. Часто можно слышать жалобы, что перегородки в помещении, необходимые для того, чтобы разговоры одних людей не мешали другим, служат препятствием для хорошего распределения воздуха. Однако имеются данные, что в офисе с открытой планировкой при правильном выборе типа воздухораспределителей перегородки высотой 2,1 м в действительности помогают созданию наилучшей структуры распределения воздуха, вне зависимости от расположения воздухораспределителей и перегородок.

По периметру помещения (где часто располагаются закрытые офисы менеджеров) могут возникать проблемы иного характера. Зимой нагретый воздух подается с высокой температурой (до 41 °C), а скорость подачи может составлять только 15 % от скорости при охлаждении помещения.

Теплая воздушная струя обладает повышенной «плавучестью» и небольшой дальнобойностью. Приточный воздух плохо смешивается с холодным воздухом помещения, который стекает вниз вдоль окон. В результате этого в центральной части офиса в слое воздуха высотой от 0,1 до 1,8 м от пола образуется стратификация с разностью температур от 4 до 6 °С. Летом теплый воздух, поднимающийся вдоль окон, скапливается у потолка.

Холодный воздух от расположенных по периметру воздухораспределителей (часто изначально установленных на подачу воздуха вниз) скапливается у пола. В обоих случаях на высоте 1 м над полом (где обычно располагается термостат) воздух имеет температуру 24 °С и система управления предполагает, что в помещении хорошее качество воздуха.

Хуже того, вентиляционный воздух, также подаваемый на уровне потолка, перемещается в расположенные у потолка вытяжныеотверстия, в результате чего в помещение фактически не поступает кондиционированный наружный воздух

Возможные решения

Имеются четыре решения, связанные с реконструкцией системы воздухораспределения. Эти решения пригодны также к новостройкам. Они позволяют увеличить число находящихся в помещении людей, соответствуют рекомендациям стандарта ANSI/ASHRAE 62.1-2004 и не требуют увеличения притока наружного воздуха.

1. Потолочные воздухораспределители с малой скоростью выпуска воздуха

Выбор конструкции потолочных воздухораспределителей целесообразно проводить по их характеристикам.

В зависимости от плотности расстановки воздухораспределителей (расстояния между ними) и удельной воздушной нагрузки в обслуживаемом помещении выбирается воздухораспределитель требуемой производительности.

Ряд воздухораспределителей, например с перфорированной передней поверхностью, имеют небольшую дальнобойность. Они пригодны для подачи больших расходов воздуха, но имеют ограничения минимального расхода, что делает их непригодными для систем с переменным расходом воздуха в современных офисах.

Рисунок 1. Расстояние между потолочными воздухораспределителями в зависимости от удельной воздушной нагрузки. Диаметр горловины воздухораспределителя – 20,3 см, выпуск воздуха – на четыре направления

На рис. 1 представлены характеристики таких воздухораспределителей. Если необходим удельный расход воздуха 18 м³/ч • м² (обычное расчетное значение удельного расхода воздуха в офисах), из графика рис. 1 можно видеть, что оптимальное расстояние между воздухораспределителями равно 6 м («половинное» расстояние – 3 м) при расходе воздуха через него 594 м³/ч. Таким образом, для обеспечения требований показателя эффективности распределения воздуха должен обеспечиваться удельный расход воздуха, больший 9 м³/ч • м². Если максимальный расход воздуха составляет 475 м³/ч (по соображениям ограничения уровня шума от воздухораспределителей), то расстояние между воздухораспределителями равно 4,8 м («половинное» расстояние – 2,4 м) и минимальный удельный расход приточного воздуха равен 11,9 м³/ч • м². При выборе воздухораспределителей с большей дальнобойностью, например, «архитектурного» воздухораспределителя (квадратный дисковый воздухораспределитель), характеристики которого представлены на рис. 2, диапазон удельных расходов воздуха гораздо меньше. Размещение таких воздухораспределителей может быть определено исходя из допустимого удельного расхода воздуха 5,5–18 м³/ч • м². Предлагаемые в последнее время «архитектурные» воздухораспределители вместо перфорированных выступают немного в помещение, что позволяет снизить затраты на реконструкцию системы воздухораспределения.

Рисунок 2. Расстояние между «архитектурными» воздухораспределителями в зависимости от удельной воздушной нагрузки. Диаметр горловины воздухораспределителя – 20,3 см. Эффективность воздухораспределения – 80 %

2. Усовершенствование системы нагрева

Для нагрева приточного воздуха, в том числе и для систем с переменным расходом воздуха, традиционно используются либо водяные калориферы, либо многоступенчатые электрические калориферы. Часто расход воздуха для отопления бывает постоянным, в то время как для охлаждения используется переменный расход воздуха. Применение современных систем управления позволяет обеспечить без дополнительных затрат «двойное минимальное» регулирование расхода воздуха при отоплении.

Подогрев холодного приточного воздуха связан с затратами энергии, поэтому для обеспечения наиболее экономичного решения расход отопительного воздуха должен быть установлен на минимально возможном уровне.

Это часто приводит к высоким температурам приточного, плохому воздухораспределению, «короткому замыканию» вентиляционного воздуха и температурной стратификации. Однако современные электронные устройства обеспечивают пропорциональный электрический нагрев с ограничением по температуре, с меньшими, чем при ступенчатом нагреве, дополнительными затратами.

При правильной настройке пропорциональный тепловой контроллер может ограничивать температуру приточного воздуха предельными значениями, приведенными в приложениии «n» (не более чем на 8 °С выше температуры внутреннего воздуха).

При дополнительном усовершенствовании контроллер системы с переменным расходом воздуха может увеличивать расход приточного воздуха при дополнительной потребности в тепле, уменьшая тем самым интенсивность подогрева, при одновременном обеспечении необходимого вентилирования помещения.

Изменения расхода воздуха влияют на выбор воздухораспределителей для обеспечения необходимого распределения воздуха в помещении.

Таблица 1 (подробнее) Минимальный расход вентиляционного воздуха в зоне дыхания человека

3. Разделение отопления и вентиляции

Может оказаться целесообразным разделение отопления и вентиляции (рис. 3).

Нагретый воздух подается в помещение через сопловые воздухораспределители, установленные вдоль окон. Нагрев воздуха происходит в вентиляторном конвекторе (фэнкойле), работающем только в режиме отопления. Регулирование вентиляторного конвектора может осуществляться параллельным контроллером системы вентиляции, установленным в одноканальном воздухораспределителе системы вентиляции с переменным расходом воздуха. Такая схема применяется уже более тридцати лет, и она зарекомендовала себя в качестве эффективного метода отопления периметральных зон помещений.

Рисунок 3. Число кронштейнов составляет примерно 6 шт. на 1 м2. Кроме того, конструкция содержит теплопроводные включения. Значение коэффициента теплотехнической однородности не более 0,5

4. Разделение охлаждения и вентиляции

Аналогично может быть целесообразной установка отдельной системы вентиляции с подачей в помещение только наружного кондиционированного воздуха с требуемой температурой (рис. 4).

Для предотвращения нежелательного взаимодействия приточных струй вентиляционного воздуха могут использоваться описанные ранее сопловые воздухораспределители, устанавливаемые на стенах внутренних коридоров. Такая схема используется при реконструкции в школах, где расход вентиляционного воздуха должен быть постоянным. Небольшие каналы (длиной 0,1 м) могут быть легко проведены сквозь строительные конструкции от установленного в коридоре приточного воздуховода.

Рисунок 4. Число кронштейнов составляет примерно 6 шт. на 1 м2. Кроме того, конструкция содержит теплопроводные включения. Значение коэффициента теплотехнической однородности не более 0,5

Заключение

Состояние воздушной среды в офисах постоянно изменяется. Новые стандарты, которые, без сомнения, со временем преобразуются в нормы, а также уменьшенные нагрузки изменили требования к системе распределения воздуха в офисах. Чтобы не отставать от этих изменений, необходим новый взгляд на выбор воздухораспределителей. В то же самое время, уменьшение стоимости систем управления вентиляции позволяет использовать новые методы управления системами, быстро реагируя на изменения потребности в обогреве и охлаждении в обслуживаемых помещениях.

Многие из указанных способов могут применяться как в проектах реконструкции, так и при новом строительстве.

Переведено с сокращениями из журнала «ASHRAE».

Перевод с английского Л. И. Баранова.

Научное редактирование выполнено зав. лабораторией ОАО «ЦНИИПромзданий», канд. техн. наук Е. О. Шилькротом, тел. (095) 482-38-22.