Измерение воздухообмена посредством трассирующих газов

Roberto Candiani

Необходимость вентилировать помещения наружным воздухом в целях разбавления образующихся загрязняющих веществ является сегодня общепризнанной.

Вентиляция помещений может происходить или за счет инфильтрации в силу естественного просачивания воздушной массы через неплотности ограждающих конструкций, или путем механической подачи наружного воздуха. Нынешняя тенденция строить здания почти полностью герметичными требует, чтобы помещения оснащались средствами механической вентиляции.

Вместе с тем на этапе приемочных испытаний объекта следует удостовериться, что величина воздухообмена при организованной системе вентиляции соответствует проектному заданию. На самом деле может возникнуть множество ситуаций, когда из-за ошибок проектировщиков либо из-за ошибок подрядчика действительное положение дел будет далеко от задуманного.

Измерение показателей фактического воздухообмена – дело не такое простое и быстрое, как замер поступающих объемов воздушной массы, и для его проведения требуются особо точные методики, которые в нашей стране недостаточно известны.

Процесс смены воздуха при естественной вентиляции есть результат сложного взаимодействия многих факторов, среди которых следует упомянуть скорость ветра, разницу наружной и внутренней температур и т. п., – именно поэтому замеры процесса смены воздуха необходимы.

Простого замера объема воздуха, проходящего в воздухозаборном канале наружного воздуха, для определения фактической вентиляции недостаточно, а если воздуховоды негерметичны, то такой замер вообще окажется невозможным.

Измерение посредством трассирующих газов является, пожалуй, наилучшим в количественном определении фактической вентиляции помещения, поскольку помимо того, что такой метод гарантирует высокую точность измерений, его можно применять в уже эксплуатируемом и функционирующем помещении, т. е. результаты такого измерения отражают абсолютно реальную картину.

Принцип, положенный в основу измерения, – подача в помещение газа, распознаваемого электронным аппаратом.

Эти измерения можно осуществлять тремя различными способами:

- снижением концентрации;

- непрерывной эмиссией;

- постоянной концентрацией.

Снижение концентрации

Этот способ предусматривает непосредственную эмиссию в помещение небольшого количества трассирующего газа и рекомендуется для осуществления замеров кратности воздухообмена.

Однородность распределения трассирующего газа обеспечивается наличием вентилятора.

Поскольку при прекращении подачи трассирующего газа снижение его концентрации происходит по экспоненциальному закону, кратность воздухообмена можно выразить следующим образом:

Кр = ln C(o) - ln(r₁) / z₁,

где:

С(о) – концентрация, измеренная во время 0, то есть сразу по прекращении эмиссии трассирующего газа;

С(r₁) – концентрация во время t₁;

r₁ – время в часах, истекшее между измерением C(o) и С(t₁).

Необходимая аппаратура для осуществления измерений такого рода – это электронный газовый датчик, вентилятор, баллон с трассирующим газом и хронометр (рис. 1).

Рисунок 1. (увеличить) Аппаратура для измерения воздухообмена методом понижения концентрации	Рисунок 2. (увеличить) Аппаратура для измерения вентиляции методом непрерывной эмиссии

Непрерывная эмиссия

Этот способ предусматривает непрерывную эмиссию в помещение некоторого определенного объема трассирующего газа на определенный период замера.

Для осуществления такого измерения требуются баллон трассирующего газа, регулятор подачи газа, электронный газовый датчик и вентилятор, обеспечивающий однородность распределения трассирующего газа в помещении (рис. 2).

Газовый датчик должен быть расположен на значительном удалении от источника эмиссии трассирующего газа (не менее двух метров), и измерение производится только в условиях равновесия, которое наступает несколько часов спустя после начала распространения трассирующего газа (8 часов, если без вентилятора).

Поскольку концентрация трассирующего газа в воздухе помещения прямо пропорциональна эмиссии трассирующего газа и обратно пропорциональна объему помещения и кратности воздухообмена, в условиях равновесия это число будет равно:

Кр = F / VxC,

где:

F – объемы эмиссии трассирующего газа в м³/ч;

С – концентрация трассирующего газа в воздухе в м³/м³ (безразмерно);

V – объем помещения в м³.

Такой метод предусматривает непрерывную эмиссию трассирующего газа в помещении в течение продолжительного времени. В этой связи целесообразно использовать трассирующий газ, имеющий невысокую стоимость и, естественно, нетоксичный, то есть не причиняющий вреда здоровью находящихся в помещении людей, например, оксид азота, хотя справедливости ради следует отметить, что и его концентрация не должна превышать 25 ppm (если иное не предусмотрено действующим законодательством, поскольку данный газ имеет анестезирующие свойства (ppm – международная единица концентрации в г/кг)). В Российской Федерации в соответствии с ГОСТ 12.1.005-88 эта величина равна

5 мг/м³. Если измерения проводятся в пустых помещениях, плотность может быть повышена до 640 ppm.

Постоянная концентрация

Рисунок 3. (увеличить) Аппаратура для измерения воздухообмена методом постоянной концентрации

Данный метод предусматривает сохранение определенного показателя концентрации трассирующего газа в воздухе. Необходимая аппаратура – это баллон трассирующего газа, подключенный к механическому дозирующему клапану струи трассирующего газа, электронный газовый датчик, подключенный к персональному компьютеру, который управляет дозирующим газовым клапаном и обеспечивает постоянный уровень измеренной концентрации, и вентилятор, распределяющий трассирующий газ по помещению (рис. 3). Если концентрация трассирующего газа в воздухе помещения поддерживается на одном уровне, кратность воздухообмена будет пропорциональна количеству эмитированного рассирующего газа и обратно пропорциональна объему и самой концентрации, то есть:

Кр(r) = F(t) / VxC(r),где:

Кр(r) – кратность воздухообмена за время t;

C(r) – концентрация трассирующего газа в воздухе в м³/м³ (безразмерно) за время t;

V – объем помещения в м³;

F(t) – объем эмиссии трассирующего газа за время t.

Данный метод позволяет производить измерение кратности воздухообмена в течение достаточно продолжительного периода. Измерения могут оказаться особенно полезными в случаях, когда число смен непостоянно. Если перевести полученные данные в форму сводного графика, можно представить прохождение воздушных смен во времени.

«Возраст воздуха» и эффективность системы вентиляции

Под «возрастом воздуха» понимается время, в течение которого воздух находится в помещении. У вытяжного отверстия «возраст воздуха» равен объему помещения, деленному на объем отведенного воздуха.

Наименьший средний «возраст воздуха» получается только в том случае, если струя, проходящая через помещение, имеет абсолютную ламинарную форму (верхняя часть рис. 4).

В этом случае более «старый» воздух находится у вытяжного отверстия и средний «возраст воздуха» в помещении равен половине «возраста воздуха» вблизи вытяжного отверстия.

В случае если (чисто теоретически) в помещении происходит идеальное перемешивание воздуха, «возраст воздуха», напротив, будет одинаков в любой точке комнаты.

Если в комнате выявляются (чаще всего так и бывает) застойные участки, то и средний относительный «возраст воздуха» в ней будет стремиться к увеличению.

И, наконец, если происходит «короткое замыкание» подачи и отвода, т. е. приточный воздух сразу попадает в вытяжной канал, «возраст воздуха» вблизи вытяжного отверстия будет, безусловно, меньше, чем в среднем по комнате.

Эффективность, с которой система вентиляции обновляет воздух в помещении (и, соответственно, вентилирует его), варьируется в зависимости от величины среднего «возраста воздуха» и по определению равна отношению среднего «возраста воздуха» у вытяжного отверстия к двойному значению среднего «возраста воздуха» в целом по комнате.

Чем выше показатель эффективности вентиляции, тем лучше распределение приточного и, соответственно, наружного воздуха в помещениях. В целях проверки системы небезынтересно будет рассчитать эффективность установки вентиляции посредством измерения среднего «возраста воздуха». В таблице приведены характеристики газов, используемых в качестве трассирующих. Далее приводятся описания указанных способов.

Рисунок 4. (увеличить) Иллюстративные примеры трех различных значений среднего «возраста воздуха»	Рисунок 5. (увеличить) Измерение среднего «возраста воздуха» методом пульсирующего впрыскивания

Пульсирующее впрыскивание

Пульсирующее впрыскивание предусматривает впрыскивание трассирующего газа в определенных объемах и с определенной частотой из точки D, обозначенной на рис. 5.

Затем через некоторое время в вытяжном канале (точка S на рис. 5) и в некоторых других точках помещения измеряется концентрация трассирующего газа.

С помощью соответствующих уравнений можно таким образом рассчитать средний «возраст воздуха» в помещении и средний «возраст воздуха» в зоне вытяжки, что в итоге позволит произвести расчет эффективности системы вентиляции.

Повышение концентрации

Трассирующий газ нагнетается в помещение непрерывно, чтобы его концентрация в воздухе постоянно росла.

Первоначальное измерение концентрации в различных точках помещения и у вытяжного отверстия и по истечении достаточно долгого времени последующее измерение уровня концентрации в тех же точках позволят с помощью тех же уравнений вывести средний «возраст воздуха», требующийся для расчета эффективности системы вентиляции.

Снижение концентрации трассирующего газа

Рисунок 6. (увеличить) Измерение среднего «возраста воздуха» методом снижения концентрации

Этот наиболее широко применяемый способ предусматривает единовременную маркировку воздуха посредством эмиссии трассирующего газа и единственный из существующих методов, который позволяет измерить «возраст воздуха» при вентиляции за счет инфильтрации.

Изменение концентрации трассирующего газа (рис. 6) во времени сначала развивается по сложной зависимости, а затем, через некоторое время, приобретает экспоненциальную форму.

Средний «возраст воздуха» представлен в зоне, противолежащей процентному графику концентрация/время. На практике производятся замеры изменения концентрации только на первом этапе, поскольку изменения в экспоненциальной фазе могут быть рассчитаны посредством простых математических уравнений.

Из первоначальной концентрации в различных точках, уровня концентрации по истечении установленного времени, уровня концентрации на участке вытяжки по истечении этого же времени можно рассчитать параметры, позволяющие путем решения упомянутых уравнений рассчитать средний «возраст воздуха» и, соответственно, эффективность естественной вентиляции.

Кроме того, сравнительный анализ среднего «возраста воздуха» в различных точках помещения позволяет выявить наличие или отсутствие застойных участков.

Характеристики трассирующих газов

Хороший трассирующий газ должен иметь плотность, близкую к плотности воздуха, не входить в состав ни наружного, ни внутреннего воздуха и обеспечивать возможность производить измерения с хорошей точностью.

По соображениям безопасности такой газ должен быть негорючим, взрывобезопасным и безопасным для здоровья.

Для обеспечения хорошей точности измерений также важно, чтобы трассирующий газ не поглощался (а потом выделялся обратно) стенами и обстановкой помещения, а также чтобы он не менял своих свойств и не разлагался в течение всего периода измерений.

Среди газов, широко применяемых в качестве трассирующих, – окись азота, диоксид углерода, гексафторид серы и галогенированные углеводороды. В таблице приведены их основные свойства и характеристики.

Таблица 1 Характеристики и свойства некоторых трассирующих газов

Трассирующий газ Формула Плотность по сравнению с воздухом Комментарий Окись азота N2O 1,53 Анестезирующий газ. Очень часто применяется в качестве трассирующего газа. Двуокись углерода СО2 1,53 Существенные колебания концентрации в помещении по количеству находящихся в нем людей. Никаких проблем с приобретением. Фторид серы SF6 5,11 Измерение обусловлено наличием в воздухе других галогенированных компонентов. При температуре 550°C разлагается на токсичные элементы. Имеет широкое применение. R-12 CF2CI2 4,18 Измерение обусловлено наличием в воздухе других галогенированных компонентов. Разлагается на токсичные элементы при высоких температурах. R-13B1 CF3Br 5,13 R-115 CCIF2CF3 5,31

Заключение

Чтобы иметь возможность сравнивать результаты измерений, произведенных в различных условиях, совершенно необходимы унифицированные показатели.

В этой связи в настоящее время разрабатываются нормативные положения ISO (8756), предусматривающие в качестве стандартных системных точек температуру 0°C и давление 103,30 кПа. Воздушную смену, измеренную в иных условиях по сравнению с принятыми в качестве стандартных, можно привести к системным показателям при помощи следующего выражения:

N(n) = N(p) x [Pp/P(n)] x [T(n)/T(p)],

где:

N(n) – смены в час, измеренные в стандартных условиях;

N(p) – смены в час, измеренные в реальных условиях;

P(p) – атмосферное давление в реальных условиях, кПа;

P(n) – атмосферное давление в стандартных условиях, кПа;

T(p) – температура измерений в реальных условиях, К;

Т(n) – температура измерений в стандартных условиях, К.

 

Перепечатано с сокращениями из журнала RCI.

Перевод с итальянского С. Н. Булекова.

Научное редактирование выполнено Ф. А. Шилькрот – гл. специалистом МОСПРОЕКТ-3, тел. (095) 292-4419.