Оценка эффективности воздушно-тепловых завес для ворот производственно-складских зданий

А. С. Стронгин, канд. техн. наук, главный специалист отдела инженерных систем АО «ЦНИИПромзданий»

Оптимизация систем позволит улучшить параметры микроклимата помещений, добиться экономии первоначальных затрат на их устройство, а также снизить потребление энергоресурсов в процессе эксплуатации на 10–20 %.

В отечественной и мировой практике применяются различные принципиальные схемы воздушных (ВЗ) и воздушно-тепловых (ВТЗ) завес, включая ВТЗ с частичным или полным использованием неподогретого воздуха. Выбор оптимальной схемы является сложной задачей, требующей проведения технико-экономических расчетов.

Отсутствие научно-обоснованных рекомендаций, методических указаний и нормативных требований приводит к завышению стоимости строительства и перерасходу энергоресурсов. Кроме того, нередко применяется оборудование, не отвечающее современным требованиям к энергоэффективности и безопасности.

Здания складов формируются из базовых модульных унифицированных секций площадью до 10 000 м² каждая, снабженных воротами для автомобильного и железнодорожного транспорта. В табл. 1 приведены удельные показатели тепловых нагрузок представительных объектов. Доля ВТЗ составляет от 20 до 60 % общей тепловой нагрузки здания.

К сожалению, параметрический ряд предлагаемых агрегатов завес неоптимальный, особенно для автомобильных и железнодорожных ворот. Сложившаяся практика проектирования ориентируется не на проведение соответствующих расчетов, а на рекомендации фирм-производителей, которые не всегда предоставляют полную информацию. В результате потребитель получает энергозатратный агрегат, не дающий гарантии защиты открытого проема.

Для устранения перечисленных выше недостатков необходима разработка обоснованных рекомендаций по выбору энергоэкономичных схемных решений ВТЗ, а также методические указания по их расчету и подбору.

В зависимости от назначения и условий обычно применяются следующие типы ВЗ:

• ВЗ на внутреннем подогретом воздуха (ВПВЗ),
• ВЗ на внутреннем неподогретом воздухе (ВНВЗ).

Для ВПВЗ рекомендуется применять одно- или двухстороннюю боковую или одностороннюю нижнюю или верхнюю подачу подогретого в агрегате завесы внутреннего воздуха плоскими струями, формируемыми приточной щелью или системой сопел под углом к плоскости ворот в сторону, с которой поступает воздух (рис. 1).

Рисунок 1. Внешний вид (а) и схема (б) ВПВЗ

Для ВНВЗ применяется аналогичная схема подачи воздуха (рис. 2).

Рисунок 2. ВНВЗ: а – с нижней подачей, б – с боковой подачей

ВНВЗ рекомендуется применять в случаях, когда нормируемая температура смеси воздуха, входящего в проем открытых ворот, обеспечивается без подогрева воздуха в завесе:

• помещения с перегревом верхней зоны более 2 °C (при возможности использования воздуха из верхней перегретой зоны помещения);
• помещения с избыточными тепловыделениями (при технической возможности и целесообразности их использования);
• помещения с низкой нормируемой температурой воздуха в рабочей зоне около ворот либо при отсутствии постоянных рабочих мест вблизи ворот.

ВНВЗ имеют более ограниченную область применения по сравнению с ВПВЗ, но  позволяют отказаться от установки воздухонагревателей в агрегатах завес.

Кроме рассмотренных типов ВЗ, в некоторых случаях могут применяться двухслойные комбинированные воздушно-тепловые завесы (КВТЗ) и воздушные завесы на неподогретом наружном воздухе (НВЗ). В КВТЗ воздух подается двумя плоскими струями, параллельными друг к другу или расходящимися под небольшим углом (5–15°) (рис. 3).

Рисунок 3. Вариант конструкции KBT3

Струя, находящаяся ближе к проему ворот, считается наружной и подает неподогретый воздух помещения. Струя, находящаяся дальше от проема ворот, считается внутренней и подает подогретый в агрегате воздух (рис. 3). Такая схема позволяет обеспечить нормируемую температуру смеси воздуха, поступающего в помещение, при меньших затратах тепловой энергии.

Сокращение затрат тепловой энергии происходит за счет снижения теплопотерь струи ВЗ, контактирующей с наружным воздухом, вследствие уменьшения ее средней температуры с внешней стороны. Для снижения теплообмена между наружной и внутренней (более нагретой) струями КВТЗ рекомендуется оставлять зазор, обеспечивающий подтекание внутреннего воздуха помещения в межструйное пространство. Оптимальную величину зазора, расстояние между выпускными насадками, углы подачи воздуха определяют при конструировании агрегатов КВТЗ.

Недостатками КВТЗ являются более высокая стоимость и сложность конструкции, что ограничивает область ее применения.

Основными преимуществами НВЗ являются их простота и экономичность, обусловленные отсутствием подогрева подаваемого воздуха и, соответственно, исключением затрат на тепловую энергию и оборудование (теплообменники и т. п.) (рис. 4).

Рисунок 4. Схема НВЗ

В то же время НВЗ имеют ряд недостатков, ограничивающих область их применения, а именно:

• отрицательное воздействие струи воздуха на человека исключает применение НВЗ для транспорта с открытой кабиной. Для прохода людей необходимо предусматривать двери (рядом с воротами либо в их створке);
• непригодность для помещений с влаговыделениями  из-за  туманообразования.

НВЗ целесообразно применять при отсутствии высоких санитарно-гигиенических требований к микроклимату помещений (отсутствие постоянных рабочих мест, неотапливаемые помещения и т. п.).

В зависимости от конструкции НВЗ в помещении создается либо замкнутая в области ворот либо разомкнутая на объем помещения циркуляция воздуха. Замкнутая циркуляция является предпочтительной с точки зрения тепловой защиты проема, поскольку теплообмен между воздухом помещения и воздухом циркуляционной зоны происходит при отсутствии направленного осредненного течения только за счет механизма турбулентного обмена.

Для сопоставления различных конструкций и схемных решений ВЗ и ВТЗ могут применяться следующие безразмерные показатели.

Коэффициент динамической эффективности ВЗ:

(1)

где Δp – расчетный перепад давления в районе ворот, Па;

I₀– начальный импульс струи ВЗ, н;

H, B – размеры проема ворот, м.

Коэффициент E показывает, насколько эффективно используется при шиберовании проема начальный импульс струи, т. е. какая доля начального импульса переходит в противодавление.

Коэффициент энергетической эффективности ВЗ

(2)

где qвз, qпр – соответственно, тепловые потери через проем, защищенный и не защищенный ВЗ, кВт. При наличии ВТЗ в величине теплопотерь учитывается ее тепловая мощность;

η = 1 означает идеальную ВЗ (полностью устраняющую теплопотери в проеме), а η = 0 – отсутствие ВЗ (незащищенный проем). Отметим, что для нерационально устроенных ВЗ и ВТЗ данный коэффициент может быть отрицательным (интенсификация теплообмена в проеме или избыточная тепловая мощность).

Коэффициент температурной (гигиенической) эффективности ВЗ

(3)

где tв, tн, tсм – соответственно, температура внутреннего, наружного и поступающего в помещение воздуха, °С;

θ = 1 означает идеальную ВЗ, θ = 0 – отсутствие ВЗ. Данный коэффициент удобно применять при проведении контрольных замеров и наладке оборудования.

Проведем сопоставительные расчеты различных типов ВЗ для одинаковых условий (размер ворот, климат, тип здания, режим открывания и т. п.) (табл. 2). Выбирались ВЗ, близкие по конструктивным параметрам (относительная ширина щели и пр.), оптимизация каждого типа ВЗ для конкретного примера не проводилась. Расчеты проведены по методикам, приведенным в [1]. Показатели эффективности рассчитывались в соответствии с формулами (1)–(3). Результаты расчетов приведены в табл. 3.

Показано, что ВПВЗ позволяет примерно вдвое сократить теплопотери через проем ворот (по сравнению с незащищенным проемом) и обеспечить оптимальную температуру смеси, равную температуре воздуха в помещении.

ВНВЗ позволяет сэкономить на 30 % больше тепловой энергии по сравнению с ВПВЗ, но имеет меньшую гигиеническую (температурную) эффективность.

НВЗ является наилучшей по энергосбережению, но наихудшей по гигиенической эффективности. Она позволяет сэкономить на 65 % больше тепловой энергии по сравнению с традиционной ВПВЗ и на 25 % больше по сравнению с ВНВЗ. В то же время вблизи открытого проема ворот образуется зона низких температур.

КВТЗ по энергоэффективности соизмерима с ВНВЗ, а по гигиенической (температурной) эффективности – с традиционной ВПВЗ.

Проведенные расчеты позволяют определить область применения различных вариантов воздушных завес. Поскольку открытый проем ворот приводит к существенным теплопотерям и нарушению параметров микроклимата в помещении, следует предусматривать устройство ВЗ или ВТЗ для всех климатических районов РФ.

Традиционная схема с подогревом воздуха – ВПВЗ – может применяться для небольших, редко открываемых ворот в мягком климате.

Схема с подачей неподогретого внутреннего воздуха – ВНВЗ – оптимально сочетает энергетические, гигиенические и стоимостные показатели. Ее применение, как правило, сдерживается только сложностью конструктивного размещения подпольного канала.

Схема с подачей неподогретого наружного воздуха – НВЗ – имеет наилучшие теплозащитные свойства, минимальную стоимость, но наихудшие гигиенические показатели. Следует применять для помещений с отсутствием нормативных гигиенических и технологических требований к температуре воздуха в зоне, примыкающей к воротам.

КВТЗ следует применять для помещений со строгими требованиями к микроклимату рабочей зоны преимущественно в районах с суровыми климатическими условиями.

В табл. 4 приведен пример расчета экономической эффективности ВТЗ складских ворот.

Окончательный выбор конструктивного решения определяется расчетом экономической эффективности.

Литература

1. Гримитлин А. М., Стронгин А. С. Воздушные завесы для зданий и технологических установок: учеб. пос.  СПБ.: Лань, 2018.

Автор выражает глубокую благодарность за предоставленные материалы и сотрудничество А. Н. Гаврилову («Глобус»), М. В. Никулину, А. В. Аносовой (ЦНИИПромзданий).