Особенности распределения воздуха в системах вентиляции зрительных залов

А. А. Волков, руководитель отдела «Моспроект-4»

И. С. Марголина, главный специалист «Моспроект-4»

А. А. Бородкин, технический директор ООО «Инженерное бюро ВИНДЭКО»

Широкое распространение в практике проектирования систем вентиляции зрительных залов с большим количеством людей (киноконцертные залы, залы театров и опер, дворцов спорта и т. д.) нашли так называемые вытесняющие системы вентиляции [1]. Для подобных помещений характерны высокие требования к комфорту зрителей. К акустическим характеристикам этих залов, за исключением залов дворцов спорта, также предъявляются особые требования, которые более детально отображены в зарубежных нормативных документах.

Уровень допустимого шума, который лимитирует шумовые характеристики всех элементов систем кондиционирования воздуха, согласно VDI 2081, часть 1 [2] ограничен следующими значениями:

- концертные залы и оперы – 25–30 дБ(A), время реверберации – 1,5 с;

- театры и кинотеатры – 30–35 дБ(A), время реверберации – 1 с;

- дворцы спорта – 45–50 дБ(A), время реверберации – 2 с.

Ощущение температурного комфорта сидячих людей определяется разностью температур воздуха на уровне головы и на уровне лодыжек. Исходя из этого рабочая зона ограничена высотой 0,1 м (лодыжки) и 1,1 м (голова) от пола.

В соответствии с [3] регламентируются следующие параметры в рабочей зоне:

- скорость приточного воздуха – 0,2–0,25 м/с;

- изменение температуры по высоте – 2–3 К;

- температура на высоте 0,1 м над полом – +19…+21 °С.

Российскими нормами и правилами перепады температур по высоте рабочей зоны не регламентируются.

Человек не будет чувствовать себя комфортно, если не подавать в зону дыхания свежий воздух и не отводить от поверхности тела тепло, им выделяемое. В значительной степени потребность в свежем воздухе и тепловыделения человека зависят от активности его деятельности. В соответствии с [4] люди, находящиеся в состоянии покоя (отдыха), выделяют полное/явное количество тепла равное 100/72 Вт. При этом потребное количество наружного воздуха должно быть не менее 20 м³/ч. В табл. 1 представлены значения тепловыделений и требуемых расходов воздуха согласно [5].

Таблица 1 Значения тепловыделений и требуемых расходов воздуха [5]

Условия тепловыделений (состояние человека) met* Полное количество тепла, Вт Расход свежего воздуха, м3/ч сидя, в состоянии покоя 1,0 100 29–36 сидя, работа 1,2 130 36–43 стоя, легкая активность 1,6 170 90–108 стоя, средняя активность 2,0 200 108–126 стоя, высокая активность 3,0 300 126–144

* 1 met = 58 Вт/м2 поверхности тела.

Рассмотрим один из возможных вариантов организации системы вентиляции большого зрительного зала (500 сидячих мест).

В подобных залах в качестве воздухораздающих устройств (ВРУ) применяются так называемые лестничные ВРУ. Они могут устанавливаться как в горизонтальные, так и вертикальные части ступеньки. Характерный пример установки подобных ВРУ представлен на рис. 1.

Рисунок 1. Примеры установки ВРУ в зрительных залах: 1) – в вертикальной части ступеньки (веерная раздача); 2) – в горизонтальной части ступеньки (веерная раздача); 3) – в вертикальной части ступеньки (горизонтальная раздача)

По принципу раздачи воздуха лестничные ВРУ подразделяются на вихревые (ВВРУ) и перфорированные (ПВРУ). ВВРУ благодаря формированию вихревого течения с более интенсивным перемешиванием воздуха могут раздавать более холодный, по сравнению с ПВРУ, приточный воздух. Но при этом они имеют более высокие шумовые характеристики.

На акустические характеристики зрительных залов оказывает влияние большое число источников шума – это и шум от приточной установки, передаваемый в зал как через конструктивные элементы, так и по приточному и вытяжному воздуховодам, шум от приточных и вытяжных ВРУ, шум от регуляторов расхода и шумоглушителей и т. д. В этом ряду источников шума будем анализировать влияние на акустику зала только шума от приточных ВРУ.

Как говорилось выше, лестничные ВРУ размещаются на вертикальной либо горизонтальной поверхности ступеньки, на которой монтируются кресла, поэтому, как правило, количество ВРУ совпадает с количеством посадочных мест в зале. То есть число источников шума, имеющих идентичный спектр генерируемого шума, достаточно велико и их совместное влияние на акустику зала также будет значительным. Методик, позволяющих с достаточной точностью учесть это влияние, не существует. Единственный существующий подход заключается в ограничении скорости воздуха на выходе из ВРУ до значений, при которых можно не учитывать их влияния на акустику зала. Но как конкретно определить минимальную величину расхода в каждом конкретном случае – не известно.

В качестве первого приближения предлагаем воспользоваться алгоритмом, учитывающим совместное влияние всех лестничных ВРУ, расположенных в зале. Он приведен ниже.

Составляющая, учитывающая совместное влияние источников шума с одним и тем же спектральным уровнем, называется групповым уровнем шума dL_s и в соответствии с [2] определяется по формуле

dL_s = 10log10 (N), (1)

где N – количество источников шума одного уровня.

Влияние большого числа источников шума существенно усиливает то обстоятельство, что источники шума расположены на незначительном удалении от ушей зрителей. Это еще одна характерная особенность вытесняющих систем вентиляции зрительных залов, которую, наряду с высокими требованиями к комфорту, всегда необходимо принимать во внимание.

В значительной мере на акустические характеристики зала, а именно на величину поглощения шума залом, влияет множество факторов: размеры зала, материал покрытия стен и кресел и многое другое. Сама по себе процедура определения величины подавления шума залом является сложной инженерной задачей. Решение этой задачи при выполнении соответствующего проекта возлагается на инженера по акустике. Проектировщикам ОВК можно предложить упрощенную методику для оценки величины поглощения звука залом, основанную на понятии постоянной помещения SABINE. Соответствующие графики представлены на рис. 2.

Рисунок 2 (подробнее)   Поглощение шума помещением: Q – коэффициент направленности

В соответствии с этой методикой на величину поглощения шума помещением оказывают влияние следующие факторы: объем зала, время реверберации в нем (коэффициент поглощения в помещении, табл. 2), расстояние от источников шума до ушей (принимается равным 1,1 м) и место расположения источников шума (центр помещения). Для зала объемом 2 000 м³ величина поглощения звука залом может быть оценена величиной dL_w = 12 дБ(A).

Таблица 2 Коэффициент поглощения шума в помещении (α)

Гулкое помещение, α 0,05–0,1 Среднее помещение, α 0,15 Заглушенное помеще- ние, α 0,25–0,4 Церкви, спортивные залы, заводы Жилые помещения, офисы, школы, вы- ставки, гостиницы, те- атры, больницы Радио- и ТВ-студии, концертные залы

Формула, связывающая допустимый уровень звукового давления в зале с мощностью шума единичного ВРУ, имеет вид

L_pa = L_wa + dL_s – dL_w, (2)

где L_pa – допустимый уровень звукового давления в зале (регламентируется);

L_wa – уровень мощности единичного источника шума;

dL_s – групповой уровень шума;

dL_w – поглощение шума помещением.

Уровень мощности шума, генерируемого единичным ВРУ, прямо пропорционален раздаваемому через него расходу воздуха. Соответствующие зависимости – результат натурных испытаний, которые в виде номограмм приводятся в каталогах производителей.

Типичными представителями производителей лестничных ВРУ являются TROX [6] и Lindab [5]. Первый производит вихревые ВРУ (ВВРУ), второй – перфорированные ВРУ (ПВРУ).

Для 500 единиц ВРУ, имеющих идентичный спектральный уровень шума и максимально допустимый уровень звукового давления в помещении, равный 30 дБ(A), расходы воздуха, пропускаемые единичными ВРУ, рассчитанные с использованием формулы (2) и номограмм производителей, будут ограничены следующими значениями:

- ВВРУ типа SD-Q-LQ-S (TROX) – 46 м³/ч. Мощность шума – 15 дБ(A), сопротивление – 7 Па.

- ПВРУ типа CCP 125 (Lindab) – 56 м³/ч. Мощность шума – 15 дБ(A), сопротивление – 19 Па.

Требуемый расход свежего воздуха на 1 зрителя можно принять равным 30 м³/ч (табл. 1). Это значение соответствует и рекомендациям [7].

Таким образом, используя лестничные ВРУ, можно подавать санитарную норму свежего воздуха без превышения допустимого уровня шума.

Следующим возможным ограничением расхода воздуха на единичное ВРУ является ограничение по подвижности воздуха. Особенно это актуально для ВВРУ. Согласно диаграмме на рис. 3, для варианта 3 установки ВВРУ (рис. 1), в точке с координатами L = 0,7 м и h1 = 0,1 м скорость воздуха в струе будет ограничена величиной 0,2 м/с при расходе воздуха 82 м³/ч. Соответствующее значение расхода для ПВРУ совпадает с пределом по акустике и равно 56 м³/ч.

Рисунок 3. Скорость воздуха в струе ВВРУ (для варианта 3, рис. 1): h1 – высота точки измерения

Открытым остался вопрос о минимально допустимой температуре приточного воздуха. Для ПВРУ ответ прост – температура приточного воздуха должна быть ограничена величиной +21 °С. Применение ВВРУ, благодаря эффективному перемешиванию, позволяет снизить температуру приточного воздуха до +20 °С. Подтверждением этого может служить график изменения относительного переохлаждения воздуха в струе (рис. 4). На расстоянии 0,7 м и на высоте 0,1 м значение относительного переохлаждения воздуха в струе будет равно 0,23, а абсолютное значение – +20,92 °С.

Рисунок 4. Температурный коэффициент для ВВРУ разных типов: 1 – SD-R-LR; 2 – SD-Q-LQ (для варианта 3, рис. 1)

Известно, что вытесняющим системам вентиляции, в отличие от перемешивающих систем вентиляции, присуща значительная температурная стратификация, то есть значительное изменение температуры воздуха по высоте помещения. Температура удаляемого воздуха (T_уд) значительно превышает средневзвешенную температуру воздуха в помещении (T_пом). Используя значения температур в трех характерных точках (приток, рабочая зона, вытяжка), можно построить график распределения температуры воздуха по высоте помещения (рис. 5).

Рисунок 5. Изменение температуры воздуха по высоте помещения

Для оценки эффективности той или иной системы раздачи воздуха используется понятие температурной эффективности, E_эфф:

E_эфф = (T_уд – T_прит) / (T_пом – T_прит). (3)

В перемешивающих системах вентиляции температура удаляемого воздуха совпадает с температурой воздуха в помещении и E_эфф = 1. В вытесняющих системах температура удаляемого воздуха превышает температуру приточного воздуха, то есть E_эфф > 1, что позволяет утверждать, что вытесняющая система более эффективна по сравнению с перемешивающей.

Оценить соответствующее значение Е_эфф можно с помощью рис. 6 [5]. При плотности посадки людей равной 0,7 м²/чел. и полном тепловыделении 100 Вт/чел. плотность теплового потока будет составлять 70 Вт/м². В соответствии с рис. 6 для помещения высотой 5 м эффективность будет составлять E_эфф = 1,8.

Рисунок 6. Температурная эффективность для вытесняющих систем в зависимости от высоты помещений и удельной тепловой нагрузки

Располагая величиной эффективности и зная, что разность (T_пом – T_прит) ограничена величинами 4 и 3 К соответственно для ВВРУ и ПВРУ, можно построить график изменения отводимой нагрузки в зависимости от расхода воздуха (рис. 7).

Рисунок 7. Зависимость снимаемой тепловой нагрузки от расхода воздуха через единичное ВРУ

Анализ графика показывает, что, подавая на единичное ВВРУ санитарную норму воздуха – 30 м³/ч при температуре +20 °С, можно отвести тепло, выделяемое взрослым человеком. При этом температура удаляемого воздуха будет равна +27,2 °С. В то же время при использовании ПВРУ для того, чтобы снять 72 Вт тепла, необходимо подавать уже 40 м³/ч охлажденного до +21 °С воздуха. В этом случае температура удаляемого воздуха +26,4 °С.

В табл. 3 сведены результаты расчетов двух типов ВРУ – вихревого и перфорированного.

Таблица 3 Результаты расчетов двух типов ВРУ– вихревого и перфорированного

Тип ВВРУ Тип ПВРУ Ограничение расхода воздуха, м3/ч SD-Q-LQ-S CCP Санитарная норма 30 30 По шуму 46 56 По скорости в рабочей зоне 82 56

Анализ данных расчета позволяет констатировать:

1. Применение ВВРУ, за счет более высокой эффективности перемешивания воздуха, по сравнению с ПВРУ, позволяет подавать в рабочую зону, без ухудшения комфорта, более холодный воздух.

2. ВВРУ, по сравнению с ПВРУ, имеют более низкое гидравлическое сопротивление. При балансировке ВРУ, установленных непосредственно в протяженные воздуховоды, низкое гидравлическое сопротивление является негативным фактором. Оно заставляет увеличивать диаметр и уменьшать длину воздуховодов. Кроме того, ВВРУ, в отличие от ПВРУ, не комплектуются регуляторами расхода.

3. ВВРУ формируют струи с большей, по сравнению с ПВРУ, степенью турбулизации потока. В соответствии с DIN 1946 часть 2, при увеличении интенсивности турбулизации потока c 5 до 20 % необходимо снижать подвижность воздуха на 30 %. То есть при одинаковой подвижности воздуха в струе ПВРУ обеспечивают лучший, по сравнению с ВВРУ, комфорт.

Выводы

- Вихревые ВРУ целесообразно применять в зрительных залах с большими тепловыделениями и средними требованиями к уровню комфорта.

- Перфорированные ВРУ целесообразно применять в зрительных залах со средними тепловыделениями и высокими требованиями к уровню комфорта.

Заключение

При анализе характеристик ВРУ использовалась инженерная (упрощенная) методика расчета акустических параметров зрительного зала. Эта методика не достаточно полно и точно учитывает многие факторы, связанных как с акустическими особенностями зала (мебель, покрытие стен, конструктивное исполнение потолка, ослабление шума креслами и т. д.), так и с совместным влиянием большого количества источников шума (ВРУ) и местом их установки.

При расчете акустики зала необходимо учитывать влияние и многих других источников шума: шумы от приточных машин, шумы в воздуховодах и регуляторах расхода и т. д.

Также целесообразно акустические расчеты проводить не только по осредненным значения уровня шума, но и по спектральным характеристикам источников шума.

Литература

1. Скидстад Х., Мундт Э., Нильсен П. и др. Вытесняющая вентиляция в непроизводственных помещения. – М. :  АВОК-ПРЕСС, 2006.

2. VDI 2081, part 1. Noise generation and noise reduction in air-conditioning systems.

3. DIN 1946/2, ISO 7730.

4. Справочник проектировщика: Ч. 3. Вентиляция и кондиционирование воздуха. – М. : Стройиздат, 1992.

5. Lindab. Каталог.

6. TROX technik: Ч 1. Буклет 1/9/EN/4 Staircase swirl diffusers.

7. Стандарт АВОК-1-2002. Здания жилые и общественные. Нормы воздухообмена. – М. : 2002.