Особенности системы вентиляции Большого зала Московской государственной консерватории им. П.И. Чайковского

О. Я. Кокорин, доктор техн. наук, профессор МГСУ, otvet@abok.ru

М. А. Колосов, канд. техн. наук, ведущий специалист по спортивным технологиям ООО «НПФ «ХИМХОЛОДСЕРВИС», доцент МГТУ им. Н.Э. Баумана

К. С. Егоров, канд. техн. наук, доцент МГТУ им. Н.Э. Баумана

Подача воздуха в зал и распределительные устройства

В качестве воздухораспределительных устройств в помещении БЗК были использованы напольные горизонтальные и вертикальные вихревые решетки фирмы TROX [10]. Схема и принцип работы напольной вихревой решетки схематично представлены на рис. 4. Всего в партере и на амфитеатрах было размещено 837 напольных решеток FBA_1_H_SV/150 производительностью по 43 нм³/ч и 12 решеток FBA_1_H_SV/250 в ложах партера, производительностью по 65 нм³/ч [11]. Кроме этого, на амфитеатрах и балконах под лавками использовались вертикальные решетки. На номинальном режиме все решетки могут подать в зал свыше 60 тыс. нм³/ч. Меняя напор в камерах статического давления (рис. 1, [12]), можно легко регулировать эту подачу.

Рисунок 4. Схема напольной вихревой решетки и схематичное отображение потоков воздуха в ней

Принцип вихревого выравнивания температуры воздуха заключается в том, что свежий приточный воздух, который подается снизу, закручивается в решетке и втягивает в свой вихревой поток теплый воздух из помещения (рис. 4). Поэтому наружный воздух, охлажденный в приточных агрегатах до низких температур, не нарушает условия комфорта на нижней границе зоны пребывания зрителей. Например, при температуре воздуха в зале +26 °C и температуре приточного воздуха +20 °C, что несколько ниже комфортной температуры для летних условий, выбранные вихревые решетки обеспечивают температуру после смешения +23,4 °C, что вполне комфортно для зрителей. Пропорционально этому возрастает объем охлажденного воздуха, непосредственно охлаждающего тело человека, что создает предпосылки для ограничения роста температуры в зоне пребывания людей. Скорость воздуха после решеток составляет примерно 0,13…0,20 м/с, что обеспечивает для зрителей комфортные условия объемного охлаждения. А главное, шум от решеток ниже 18…20 дБ (A), что отвечает строгим требованиям по шуму даже для этого концертного зала [13].

Вокруг тела человека, температура которого примерно +36,6 °С, воздух нагревается, плотность его падает и формируется интенсивный восходящий поток загрязненного воздуха. При этом выделяемые людьми вредности хорошо удаляются к потолку. Однако явные тепловыделения людей и машин идут не только на нагрев воздуха, нагреваются и окружающие предметы: кресла, пол, стены… и соседи. Поэтому при подъеме воздух продолжает нагреваться, не контактируя с теплыми предметами. Только часть выделяющегося от людей тепла, по данным проф. О. Я. Кокорина, не более 30…40%, поступает непосредственно в зоне пребывания людей к воздуху. При организации воздухообмена по схеме вытесняющей вентиляции, как это сделано в Большом зале Московской консерватории, остальная часть выделяемого людьми тепла, т.е. примерно 60…70% всего количества, адсорбируется воздухом по пути к потолку.

Для зрительного зала можно принять отношение количества явных тепловыделений в зоне нахождения людей к общему их количеству 0,6, и тогда, согласно зависимости на рис. 3, величина показателя k_Lt = 1,6. При t_n = +20 °C и t_в = +24 °C по выражению (3) [12] находим: t_у = +26,4 °C.

Для расчета показателя d_Ld по изменению влагосодержания воздуха по высоте помещения в схеме вытесняющей вентиляции надежных экспериментальных данных пока нет.

Применение вихревых решеток и нагрев воздуха около источников тепла увеличивают циркуляцию воздуха, и поэтому в зоне нахождения людей расход будет многократно превосходить подачу свежего воздуха. В зрительных залах имеет место плотное размещение зрителей в креслах или сиденьях, и можно сделать предположение, что непосредственно в зоне нахождение людей, т.е. примерно на высоте сидений, циркуляция превосходит расход приточного воздуха примерно в 3,0…3,5 раза. Выделяемые людьми водяные пары и вредности первоначально воспринимаются этим количеством воздуха. Если в зоне кресел поддерживать влажность воздуха φ_в = 60% (d_в = 11,2 г/кг), то влагосодержание приточного воздуха должно составлять:

d_пн = d_в – (0,3W_A / l_пн·ρ_пн) = 11,2 – (0,3·115/30·1,2) = 10,2 г/кг.

В этом случае в зоне нахождения людей обеспечивается поглощение всего выделяющегося водяного пара. На рис. 5 в I-d диаграмме построены процессы обработки влажного воздуха в СКВ Большого зала консерватории при заданных условиях: Москва, теплый период года, параметры наружного воздуха: t_н = +26,3 °C; d_н = 12,2 г/кг; I_н = 57,5 кДж/кг.

Полученное влагосодержание наружного воздуха d_пн = 10,2 г/кг достигается конденсационной осушкой до состояния т. ОХ: t_ОХ = +15,5 °C; I_ОХ = 41,6 кДж/кг. Удельный расход холода при этом будет составлять:

q_X = 30·1,21· (57,5 – 41,6)/3,6 = 160 Вт·ч/чел.

После приточного агрегата охлажденный и осушенный воздух нагревается на 1,5 °C в приточном вентиляторе и воздуховоде до параметров т. ПН. Приточный воздух в объеме l_пн = 30 м³/ч с t_пн = +17 °C подается через вихревые воздухораспределители, смонтированные под креслами, в зал. Смешиваясь с внутренним воздухом, он повышает свою температуру до t_н = +20 °C и поддерживает в зоне пребывания людей комфортную температуру t_в = +24 °C.

Обобщенный холодильный коэффициент всей установки СКВ, как указано выше, составляет ε_СКВ = 2,68 [5]. Поэтому удельный расход электроэнергии при организации воздухообмена в зале по схеме вытесняющей вентиляции составит: N_ВТ = ∑N_СКВ = q_x/ε_СКВ =  = 60,5 Вт/чел.

В схеме со смесительной вентиляцией по сравнению со схемой вытесняющей вентиляции, при одинаковой производительности по воздуху приточных и вытяжных агрегатов, расход электрической мощности больше в пропорции: N_СМ/N_ВТ = 90,2/60,5 = 1,53 раза.

Для СКВ зрительских трибун на спортивном сооружении, выполненной в работе [5], в которой также сравниваются схемы с вытесняющей и смесительной вентиляцией, показано сокращение расхода электроэнергии еще больше, в 2 раза.

Через розетки на потолке теплый, влажный и загрязненный воздух (рис. 5, состояние т. У) вытяжными агрегатами удаляется наружу. Влагосодержание вытесняемого воздуха при l_у = l_пн:

d_у = d_в – (0,7W_A / l_у·ρ_у) = 11,2 – – (0,7·115/30·1,19) = 13,45 г/кг.

Рисунок 5. Построение на I-d диаграмме влажного воздуха расчетного режима работы СКВ БЗК при вытесняющей схеме вентиляции для условий Москвы в теплый период года: Н-ОХ – охлаждение и осушка наружного воздуха в приточном агрегате; ОХ-ПН – прогрев воздуха в воздуховодах и вентиляторе; П-В – поглощение теплоты и влаги в зоне пребывания зрителей; В-У – прогрев воздуха по высоте зала

В холодное время удаляемый воздух дополнительно охлаждается в утилизационной системе с антифризом, и его теплота используется для первого подогрева приточного воздуха.

Сравнение системы кондиционирования и вентиляции Большого зала консерватории со схемами смесительной и вытесняющей вентиляций показывает, что вторая схема легко и надежно обеспечивает в зале комфортные условия воздушной среды, которые соответствуют установленным санитарным нормам, и, главное, позволяет существенно снизить эксплуатационные расходы в помещениях подобного типа.

Математическое моделирование процессов вентиляции

При разработке проекта реконструкции Большого зала консерватории сотрудниками НИИ «Энергомашиностроение» МГТУ им. Н.Э. Баумана по заданию отдела ОВК «Моспроект-4» было выполнено математическое моделирование системы кондиционирования и вентиляции этого зала. В рамках этого исследования были получены результаты, которые довольно подробно представлены в печати [11].

В пространстве Большого зала консерватории можно выделить три характерные зоны, отличающиеся схемой вентиляции и подачи свежего воздуха и, следовательно, закономерностями формирования скорости и температуры воздуха: сцена, партер, амфитеатры и балконы.

Как показало моделирование, максимальные нагрузки возникают при концертном варианте эксплуатации [11]. Поэтому моделирование проводится в основном применительно к этому режиму.

С учетом полученных результатов, представляется интересным проверить приведенную выше методику балансового расчета вытесняющей системы вентиляции и основные положения метода расчета температурного показателя k_Lt, интегрально характеризующего схему вентиляции в помещении.

Картина изменения температуры воздуха в среднем сечении зала, над партером, приведена на рис. 6 [11]. В сечении справа находится пространство сцены, слева – балконы первого амфитеатра. По высоте зала температура меняется неравномерно. В зоне обслуживания, в партере температура возрастает с +23,4 °C у пола до примерно +27,0 °C на высоте 2 м. Далее температура меняется слабо и на уровне потолка, на высоте 18 м достигает почти +30,0 °C.

Рисунок 6. Температурное поле в среднем сечении зала, над партером. Цветом отражается температура, легенда которой приведена справа

Температура удаляемого воздуха в среднем составляет t_У = +29,7 °C, температура внутреннего воздуха t_В = +27,0 °C. Поэтому температурный показатель k_Lt будет составлять:

k_Lt = (t_у – t_n) / (t_в – t_n) =
= (29,7 – 23,4)/(27,0 – 23,4) = 1,75.

Чтобы найти положение этой рабочей точки на характерном графике (рис. 3, [12]), рассчитаем отношение количества явного тепла, воспринятого воздухом в зоне обслуживания, к общей тепловой нагрузке в помещении. Поскольку помещение большое, с высокой энерго-во-оруженностью и характеризуется плотной рассадкой зрителей, то это отношение рассчитывается только для области партера и сцены.

Всего в партере размещается примерно 862 человека со средним тепловыделением 75 Вт/чел. Поэтому общие теплопоступления от зрителей в партере будут составлять 62,1 кВт. Считая оборудование на сцене и в зале, а также оркестрантов на сцене источниками технической тепловой нагрузки, получаем 43,8 кВт. Подробнее с распределением и величиной тепловых нагрузок в режиме концерта для этого зала можно ознакомиться в статье [11]. Поэтому для этого зала отношение количества явных тепловыделений в зоне нахождения людей (62,1 кВт) к общим тепловыделениям в зале (106,0 кВт) составит 0,586.

На графике (рис. 3, [12]) этим условиям соответствует точка (БЗК). Эта точка лежит несколько выше характерного графика, что объясняется несколькими причинами, обусловленными особенностями моделирования. Нагрузка, принятая при моделировании, полагалась максимально возможной, т.е. расчет выполнялся при абсолютно полном зале (что возможно) и одновременно включенных всех технических устройствах на сцене (освещении, усилителях звука и моторах), что на практике почти невозможно.

На рис. 7 отдельными точками показано распределение локальных температур в вертикальном сечении пространства партера, которое проходит через пятнадцатый ряд кресел. Такое же сечение зала можно видеть на рис. 1 [12]. На графике по оси ординат отложена высота положения точки, по оси абсцисс – локальная температура в точке. Графиком на этом же рисунке показан ход температур, построенный по методике [9] для граничных условий, принятых при математическом моделировании и характерный для вытесняющей вентиляции.

На уровне пола, в напольных вихревых решетках, локальные температуры резко возрастают от t_ПН = +20,0 °C до t_П = +23,4 °C. В зоне пребывания зрителей, до высоты 2,0 м, температура воздуха возрастает до t_В = +27,0 °C. На этой же высоте в сечение графика попали точки вблизи настенных бра, с высоким локальным перегревом. Выше, до высоты 5,0–6,0 м наблюдается зона переноса нагретого воздуха. На высоте 5,5–6,5 м в сечение попали балконы, где локальные температуры изменяются таким же образом, как в зоне пребывания зрителей в партере. На этом же уровне начинается заметный рост температуры воздуха. Это так называемая тепловая подушка (тепловая завеса) у потолка. Она играет важную роль в подготовке вытяжного воздуха.

Объем энергии (теплоты), которой аккумулируется в этой тепловой подушке, определяется общим балансом энергии в зале. Проявляется это в распределении температур по высоте, которое, в свою очередь, генерирует тепловой поток, направленный вниз. Поэтому воздух при подъеме вверх прогревается, увеличивая удельную тепловосприимчивость вытяжного воздуха. Подогретый вытяжной воздух позволяет снизить мощность на охлаждение приточного воздуха и снижает или позволяет полностью отказаться от рециркуляции вытяжного воздуха на всасывание.

Выше был приведен пример расчета вытяжного воздуха по методике [9]. Если использовать для этого расчета температуры, принятые при математическом моделировании: t_ПН = +20,0 °C, t_П = +23,4 °C, t_В = +26,0 °C и k_Lt = 1,6, то температура воздуха на вытяжке составит:

t_У = 23,4 + 1,6 · (26,0 – 23,4) = 27,6 °C.

По этой температуре построен график температур и отмечены характерные точки (рис. 7), полученные для вытесняющей вентиляции по методике [9]. Этот результат качественно совпадает с результатами численного моделирования и позволяет сделать вывод, что оценку температуры вытяжного воздуха по обобщенному температурному параметру k_Lt можно использовать для инженерных расчетов.

Рисунок 7. Распределение локальных температур по высоте зала

В работе [11] было сделано специальное исследование распределения локальных температур и картины течения воздуха в зоне отдельной группы зрителей в партере (рис. 8). Расчет выполнялся для группы из трех кресел в трех рядах. Теплый воздух и вредности, как хорошо видно на этом рисунке, образуют восходящие потоки.

Рисунок 8. Поле температур в зоне отдельной группы зрителей

К вихревым решеткам, находящимся непосредственно под креслами, подводится воздух с температурой +20 °C. Благодаря работе этих решеток пространство холодных температур локализовано небольшой областью под креслами. Около ног и лодыжек зрителей температура составляет уже +23…+24 °C, что отвечает санитарной норме для концертных залов в условиях летнего времени. Здесь формируется область нижней границы зоны обслуживания, откуда свежий воздух поступает непосредственно на охлаждение зрителей и поглощение выделяемых людьми тепла и вредностей. В зоне пребывания людей наблюдается горизонтальная стратификация температур. По высоте зоны, пропорционально тепловыделениям от людей, температура монотонно повышается до +26…+27 °C с локальными всплесками непосредственно около тел. Около тела человека есть локальные зоны, в которых затруднена конвекция. Здесь, как и следовало ожидать, воздух прогревается почти до температуры человеческого тела. Эта картина хорошо согласуется с результатами многолетних наблюдений и подтверждает данные, полученные при моделировании всего зала.

Заключение

Многолетняя практика эксплуатации системы вентиляции Большого зала Московской государственной консерватории им. П.И. Чайковского, построенной на вытесняющем принципе, показала эффективность, надежность обеспечения условий комфорта в обслуживаемой зоне, неприхотливость и хорошую адаптацию к внешним условиям эксплуатации. Экономический эффект при эксплуатации такой системы вентиляции, как показано в статье, может достигать более 50% по сравнению с традиционными системами вентиляции. Кроме этого, при использовании вытесняющей вентиляции наблюдаются меньшие уровни технологических шумов, что особенно важно для концертных залов и просторных помещений. Однако применение такой системы требует разработки мероприятий по подавлению и исключению побочных негативных факторов, таких как вихреобразование в свободном пространстве зала, сквозняки, переохлаждение у пола, большой градиент прогрева воздуха в зоне обслуживания.

Оценка температуры вытяжного воздуха по обобщенному температурному параметру k_Lt, методика расчета которого предложена в работе [9], качественно совпадает с результатами численного моделирования [11]. Моделирование показало важную роль тепловой завесы при использовании схемы вытесняющей вентиляции, но в настоящее время еще нет инженерных методик ее расчета. Поэтому метод, предложенный в работе [9], можно рассматривать как важный шаг в разработке такой инженерной методики расчета и проектирования характеристик тепловой завесы.

Литература

9. Кокорин О.Я. Современные системы кондиционирования воздуха. М. : Физматлит, 2003.
10. TROX. Проспект. Напольные и вертикальные решетки. Gebr.der Trox. GmbH 2/2000.
11. Колосов М.А., Егоров К.С. Система вентиляции и кондиционирования Большого зала Московской консерватории им. П.И. Чайковского. Математическое моделирование // Холодильная техника.– 2012.– № № 8–11.
12. Кокорин О.Я., Колосов М.А., Егоров К.С. Особенности системы вентиляции Большого зала Московской государственной консерватории им. П.И. Чайковского // АВОК.– 2013.– № 2.
13. VDI 2081 part 1 (DIN 1946_12).