Большинство специалистов при проектировании системы вентиляции не уделяют должного внимания вопросам распределения воздуха. Общепринятая практика выбора размера воздухораздающего устройства — по фиксированному значению скорости воздуха в живом сечении.
Причем само значение скорости выбирается, как правило, интуитивно, на основании опыта проектировщика. В этой статье проиллюстрированы последствия такой практики и приведены альтернативные, технически более грамотные методы, основанные не на косвенных показателях, а непосредственно по параметрам, регламентированным СНиП.
Проанализируем раздачу воздуха в помещении следующих параметров:
ширина — 5,84 м; длина — 4,58 м; высота — 3,1 м с возможностью понижения до 2,7 м. Высота коридора — 2,7 м.
Назначение помещения — офис, количество людей — 6 чел., ориентация здания — юг. Исходя из этих данных можно рассчитать тепловой баланс помещения. Результаты представлены в табл. 1.
В данном случае точность выполнения теплового баланса помещения не высока. Но для анализа эффективности воздухораспределения нам необходимо знать конкретное значение величины расхода воздуха и его температуру. Зная суммарные тепловыделения и количество людей в офисе, можно вычислить необходимые расходы: расход воздуха, обеспечивающий температурный режим помещения, и расход воздуха на вентиляцию.
Также определяем и соответствующие величины их температурного переохлаждения относительно температуры воздуха в помещении (табл. 2). Под переохлаждением воздуха будем понимать разность между температурой приточного воздуха в струе и расчетной температурой воздуха в помещении.
Деление воздуха на охлаждающий и вентиляционный условно. Это сделано с намерением подчеркнуть, что основные проблемы возникают при раздаче больших расходов сильно переохлажденного воздуха. Раздача же вентиляционного воздуха, как правило, не вызывает значительных трудностей.
Критериям комфорта помещения с точки зрения постоянно находящихся в нем сотрудников соответствуют следующие параметры: подвижность воздуха VL на входе в рабочую зону (высота рабочей зоны для сидящих людей — 1,3 м) не должна превышать 0,25 м/с, уровень мощности источников шума Lwa — не более 40 дБ(A), переохлаждение приточного воздуха относительно температуры воздуха в помещении на входе в рабочую зону ⇒t — выше -1,5 К. Эти параметры соответствуют и требованиям СНиП.
В настоящее время в отечественной практике проектирования систем кондиционирования и вентиляции в качестве воздухораздающего оборудования в основном используются вентиляционные решетки и четырехсторонние диффузоры.
Их производят в том числе и отечественные компании, поэтому при анализе эффективности воздухораздачи впервую очередь мы уделим внимание именно этому типу оборудования. Заметим, что в зарубежной практике наибольшей популярностью пользуются вихревые воздухораспределители.
Итак, ограничим выбор типов воздухораздающих устройств следующим оборудованием:
1. Вентиляционные решетки — в стене между коридором и офисом (высота потолка — 3,1 м);
2. Струйные четырехсторонние диффузоры — на потолке (высота потолка — 2,7 м);
3. Вихревые диффузоры — на потолке (высота потолка — 2,7 м).
1. Вентиляционные решетки
Как уже было отмечено, общепринятая практика подбора размеров воздухораспределителей — это выбор по значению скорости воздуха в живом сечении решетки. Зададим значение скорости в живом сечении 2 м/с.Тогда требуемое живое сечение решетки для охлаждающего воздуха будет равно:
Fэф.о = 880/3600/2 = 0,122 м2, а вентиляционного Fэф.в = 0,05 м2.
Для определения уровня шума, генерируемого решетками, а также для расчета подвижности воздуха и температуры приточного воздуха на входе в рабочую зону также воспользуемся данными каталога TROX. В соответствии с диаграммами, при скорости в живом сечении равной 1,7 м/с и переохлаждении воздуха ⇒t = -10 К следует ожидать отрыва струи воздуха от потолка. При этом центральное ядро струи, переохлажденное до ⇒t= -3,9 К, со скоростью 0,7 м/с будет входить в рабочую зону на расстоянии 4,1 м от места установки решетки.
Генерируемый решеткой уровень шума не будет превышает 15 дБ(A) в случае подвода воздуха патрубком по сечению, равному сечению решетки и длиной не менее 1 м. При наличии монтажной коробки уровень шума увеличится и может достигнуть величины 30 и даже 40 дБ(A) в зависимости от размеров, конструктивного исполнения и качества изготовления коробки.
Если возникнет необходимость в балансировке сети (обеспечение требуемого расхода воздуха за счет увеличения перепада давления на решетке), следует ожидать повышения уровня шума. Например, в случае 50%-ого закрытия регулятора расхода уровень шума повыситься до 25 и 40-45 дБ (A) соответственно.
С вентиляционным воздухом значительно лучше. Он поступает в рабочую зону без отрыва струи. Переохлаждение воздуха на входе в рабочую зону равно - 0,48K, а соответствующее значение подвижности воздуха — 0,44 м/с. Уровень шума не превышает допустимый.
Анализируя полученные результаты, можно сделать следующие выводы:
- выбор сечения решетки, раздающей вентиляционный воздух, на основании существующей практики можно признать удовлетворительным;
- выбранная на основании существующей практики решетка, не удовлетворяет предъявляемым требованиям в случае необходимости раздачи больших расходов сильно переохлажденного воздуха.
Еще одна широко распространенная в последнее время практика — занижение значений эффективной скорости воздуха в живом сечении решетки для уменьшения подвижности воздуха в рабочей зоне. Реализуется этот метод за счет увеличения размеров решетки. Однако увеличение размеров решетки особенно для сильно переохлажденного воздуха ведет не к улучшению ситуации, а, наоборот, ухудшает ее. Почему?
Один из возможных путей повышения эффективности раздачи сильно переохлажденного воздуха при использовании решеток — это увеличение их количества.
Воспользуемся отличным от общепринятого алгоритмом подбора решеток:
1. Определим размер решетки на основании допустимого уровня шума;
2. Для выбранного размера определим возможности отрыва струи и, при необходимости, скорректируем размер решетки;
3. Определим параметры воздуха в струе на входе в рабочую зону и, при необходимости, скорректируем размеры решетки.
Ниже представлены последствия замены одной решетки размером 1025х225 на две. Расход воздуха на одну решетку Lo = 440 м3/час. По каталогу требованиям по уровню шума удовлетворяет решетка размером 425х225. Соответствующее значение уровня шума Lwa < 15 дБ(A). Несколько большее значение шума будет в случае установки решетки размером:
Lwa = 325x225 = 18 дБ(A).
Рассмотрим аэродинамические характеристики этих решеток.
Какую же из этих двух решеток выбрать?
В соответствии с каталогом, увеличение угла раствора струи с 20 до 35° уменьшает подвижность воздуха на 30%, а при увеличении до 60° — в два раза.Однако следует учитывать, что при этом возрастает уровень шума и появляется необходимость в увеличении расстояния между решетками.
При анализе аэродинамических параметров воздуха мы предполагали, что решетки «работают» независимо друг от друга, т.е что не происходит смыкания струй до входа в рабочую зону. Однако это не всегда справедливо. В соответствии с каталогом, при расстоянии между решетками менее 0,15 . L, где L— длина пути струи воздуха от места установки решетки, установленными на высоте не ниже 0,3 м от потолка, следует ожидать смыкания струй.
Т.е. вычисленные нами параметры воздуха будут актуальны только если расстояние между решетками не менее: 0,15 . (4,58 + (2,7 - 1,3)) = 0,9 м.
При существующих габаритах помещения дальнейшее увеличения числа решеток нецелесообразно.
Почему? Рассмотрим пример.
Lo = 293 м3/час.
Требованиям по уровню шума (Lwa < 15 дБ(A)) удовлетворяют решетки размером 225х225. При условии отсутствия смыкания струй решетки обеспечивали бы следующие параметры: отсутствие отрыва струи. Воздух с переохлаждением ⇒t= -1,68 K и скоростью 0,51 м/с попадает в рабочую зону по противоположной от места установки решетки стене.
N . B + (N - 1) . B1,
где N — количество решеток, B — длина решетки, B1 — расстояние между решетками. В нашем случае длина линейной решетки будет равна 1,6 м.
880/1,565 = 562 м3/(час/п.м).
Этому расходу воздуха и габаритам решетки соответствует эффективная скорость, оцениваемая в 1 м/с. Известно, что при скорости ниже 1,5 м/с резко снижается коэффициент эжекции. Т.е. подвижность воздуха в струе и ее температура будут незначительно зависеть от расстояния от решетки. Еще раз отметим, что при больших переохлаждениях воздуха, струя отрывается от потолка. Причем, чем больше переохлаждение и ниже скорость на выходе, тем ближе к решетке. Это значит, что при скорости меньше минимально допустимой и при значительном переохлаждении воздух попадает в рабочую зону в непосредственной близости от решетки со скоростью и температурой близкими к соответствующим параметрам на выходе из решетки.
2. Струйный потолочный диффузор с раздачей воздуха в 4 стороны
Диффузоры этого типа, так же как и решетки, пользуются большой популярностью у отечественных проектировщиков.
Для определения первого приближения величины требуемого сечения, примем
скорость воздуха в эффективном сечении диффузора равной vэф = 2 м/с. В этом случае для охлаждающего воздуха сечение равно: Fэф.о = 880/3600/2 = 0,122 м2, а для вентиляционного Fэф.в = 0,05 м2.
Для определения параметров воздуха на входе в рабочую зону необходимо знать расстояние между диффузорами А, расстояние до стены Х и высоту от диффузора до рабочей зоны Н1.Симметричной расстановке диффузоров соответствуют следующие размеры:
А = 2,29 м;Х = 1,145 м;
Н1 = 2,7 - 1.3 = 1,4 м.
Расстояние между приточным и вытяжным диффузорами равно 2,9 м. По каталогу определим параметры воздуха на входе в рабочую зону у стены для охлаждающего воздуха:
v = 0,39 м/с,⇒t= -3,7 K.
Характеристики воздуха между охлаждающим и приточным диффузорами можно только оценить, т.к. параметры смешивающихся потоков значительно отличаются. В качестве приближения можно определить параметры смешения от двух охлаждающих диффузоров v = 0,27 м/с, ⇒t= -3,7 K.
Т.е. вблизи стены параметры воздуха несколько хуже, чем между диффузорами. Как и в предыдущем примере, на основании данных каталога мы можем определить изменение переохлаждения воздуха вдоль струи. Это позволяет проектировщику оценить влияние расстояния между приточным и вытяжным диффузорами на величину холода, уносимого в вытяжку.
При расстоянии между приточным и вытяжном диффузорами, равном L = 2,9 м, для диффузора размером 600, отношение переохлажденного воздуха на длине L к воздуху на выходе из диффузора будет равно ⇒tl/⇒tz = 0,3. В четырехстороннем диффузоре примерно 25 % воздуха двигается в направлении вытяжки. Поэтому потери холода в вытяжке можно оценить следующей величиной: 0,25 . 0,3 = 0,075.
Знание акустических характеристик оборудования позволяет без нарушения норм уменьшить габариты диффузоров.
При уровне шума до 40 дБ(A) для охлаждающего воздуха можно использовать диффузор размером 500 (Lwa ≤35 дБ(A), vэф = 3,62 м/c), а для вентиляционного — 400 (Lwa ≤25 дБ (A), vэф = 2,7 м/c).
3. Вихревой диффузор
К сожалению данные типы диффузоров практически не используются в современной отечественной практике в отличие от западных проектов. В соответствии с допустимым уровнем шума в помещении выбираем тип и размер вихревого диффузора, например, RFD-R-K/315/. Для раздачи охлаждающего воздуха необходимо два диффузора и один — на вентиляционный воздух.
Для определения параметров воздуха на входе в рабочую зону необходимо знать расстояние между диффузорами А, расстояние до стены Х и высоту от диффузора до рабочей зоны Н1. Симметричному расположению соответствуют следующие размеры:
А = 1,9 м,Х = 0,97 м,
Н1 = 2,7 - 1,3 = 1,4 м.
Расстояние между приточным и вытяжным диффузорами — 2,29 м.
По каталогу определяем параметры воздуха на входе в рабочую зону у стены для охлаждающего воздуха: v = 0,36 м/с, ⇒t= -0,6 K. Параметры воздуха между охлаждающими диффузорами: v = 0,29 м/с , ⇒t= -0,6 K.
Оценим потерю холода при использовании вихревых диффузоров. При расстоянии между приточным и вытяжным диффузорами, равном L = 2,29 м, для диффузора размером 315 отношение переохлажденного воздуха на длине L к воздуху на выходе из диффузора будет равно ⇒tl/⇒tz = 0,06. Поэтому долю холода, теряемую в вытяжке, можно оценить следующей величиной: 0,25 . 0,06 = 0,015, т.е.менее 2%.
Таким образом, использование вихревых диффузоров позволяет с одной стороны существенно улучшить комфорт в помещении, а с другой значительно уменьшить потери холода и свежего воздуха.
Однако при одном и том же уровне шума они могут раздавать меньшие расходы воздуха, обеспечивая более высокий уровень комфорта, за что, разумеется, приходится расплачиваться более высокой ценой.
Данная работа не претендует на фундаментальность и выводы, приведенные в ней, имеют ограничения. Они применимы к конкретному помещению, к конкретной схеме воздухораздачи и к конкретному оборудованию.
Цель этой статьи — продемонстрировать последствия принятия необоснованных решений и показать, что есть иной путь и иные варианты. Ответственность за правильный выбор лежит на проектировщике. Мы лишь призываем делать его осознанно
Автор Александр Бородин