Системы вытесняющей вентиляции для промышленных зданий |
А. М. Живов, канд. техн. наук, президент Zhivov&Associates Почти все системы вентиляции и кондиционирования воздуха в США по принципу действия можно отнести к перемешивающему (Mixing Ventilation, MV) типу. Приточный воздух смешивается с воздухом помещения, в результате устанавливается равномерное распределение температуры, относительной влажности и концентрации загрязнений по всему объему вентилируемого помещения. Вентиляция вытесняющего типа (Displacement Ventilation, DV) отличается тем, что создает некоторую неравномерность температуры и концентрации загрязнений внутри помещения. КлассификацияТермин «вытесняющая вентиляция», DV, используется в специальной литературе применительно к различным типам приточных систем. Предлагается следующая классификация DV:
Рис.1.
Рис.2. Рис.3.
Фото A.
Фото B. Пассивные термовытесняющие системы были первыми системами вентиляции вытесняющего типа, DV, и получили широкое распространение в промышленных зданиях Скандинавии за последние 30 лет. Они до сих пор остаются наиболее распространенными системами этого типа в Европе. С недавних пор область применения этих систем увеличилась за счет офисов и других коммерческих зданий, где наряду с качеством воздуха предъявляются высокие требования к комфорту. Рис. 4. Активная термовытесняющая вентиляция
Рис. 5. Пассивная термовытесняющая вентиляция Выбор способов воздухораспределенияК числу критериев, используемых для выбора способов воздухораспределения, относятся коэффициенты эффективности удаления теплоизбытков и загрязнений, Kt и Kc: Kt=(texh-t0)/(to.z.-t0), Kc=(Cexh-C0)/(Co.z.-C0), где: Другими критериями являются нагрузки по теплу/холоду и воздухообмен, предельно допустимый по условиям комфорта (сквозняки, значительная неравномерность распределения температур по помещению и др.) или по требованиям производственного процесса (снижение производительности местных отсосов, сдувание защитных воздушно-струйных укрытий у сварочных аппаратов и т. п.). Использование вытесняющей вентиляции обеспечивает наиболее высокую эффективность по удалению теплоизбытков и загрязнений: коэффициенты эффективности воздухообмена Kt и Kc более 2 для «поршневых» систем. Соответственно, 1,8–2,5 для пассивных термовытесняющих систем и 1,2–1,8 для активных термовытесняющих систем. В системах перемешивающей вентиляции при равномерном распределении температуры и концентрации загрязнений по помещению соответствующее значение эффективности очистки воздуха равно 1. На рис. 6 показано сравнение значения воздухообмена и нагрузок по теплу и холоду, которые могут быть реализованы в помещении с системами вентиляции смесительного типа и с активной и пассивной термовытесняющими системами. Рис. 6. График для определения диапазонов расходов воздуха и нагрузки по теплу/холоду для систем смесительной, активной термовытесняющей и пассивной термовытесняющей вентиляции. Цена деления шкалы по оси расхода воздуха соответствует 0,116 м, цена деления по оси тепловой/холодильной нагрузки - 15 Вт/м2•ч Благодаря первоначальному успешному применению системы вытесняющей вентиляции стали широко применяться в Европе (безотносительно к тому, обладают ли они в каждом конкретном случае преимуществами перед системами смесительного типа по обеспечению качества воздуха). Неправильного применения систем вытесняющей вентиляции можно избежать, если использовать полную информацию об этих системах и проводить расчеты экономической эффективности [7, 8, 9]. В настоящей статье рассматривается область применения и принципы проектирования традиционной системы вытесняющей вентиляции. Область примененияК главным преимуществам вытесняющей вентиляции относятся высокое качество и малая подвижность воздуха почти во всем объеме рабочей зоны. Эффективность вытесняющей вентиляции особенно велика в случае, когда тепло и загрязнения поступают в помещение от единого источника. Если источник загрязнений не выделяет тепла и находится в стороне от тепловых источников, формирующих восходящие конвективные потоки, или эти потоки не обладают достаточной мощностью и не достигают уровня стратификации, вызванного температурным градиентом, то рабочая зона может оказаться сильно загрязненной. Когда речь идет о вытесняющей вентиляции, необходимо иметь в виду следующее:
Принципы проектированияПроектирование систем вытесняющей вентиляции основано на аналитических расчетах или на использовании компьютерных аэродинамических моделей (CFD-программы). При этом аналитические расчеты используются значительно чаще. Применение CFD-программ может оказаться полезным при проектировании систем для помещений большого объема, поскольку большие размеры помещений затрудняют выполнение необходимых натурных обследований и измерений, дополняющих аналитические расчеты, а проекты систем для таких помещений часто бывают уникальными. Однако практическое использование CFD-программ для трехмерного моделирования требует определенной квалификации и компьютерных ресурсов, которых у рядовых проектировщиков может не оказаться. Кроме того, картина распределения температур и скоростей воздуха по объему помещения, получаемая с помощью CFD, бывает недостаточно точной. Опыт показывает, что аналитический метод позволяет получить сравнительно простую методику расчета, которая дает хорошие результаты для большинства случаев. При использовании аналитического метода проектировщик должен определить:
Помещения с теплоизбыткамиПри расчете определяются следующие параметры:
Допущения
Предлагаемый порядок расчетаЭтап 1. Составление перечня всех источников тепла в помещении. Этап 2. Расчет среднего значения конвективной составляющей теплообмена, Y, исходя из мощности каждого источника тепла, Wi (Вт), конвективной составляющей тепловой мощности каждого источника тепла, Yi , по формуле Этап 3. Расчет среднего значения лучистой составляющей теплообмена в рабочей зоне исходя из полной тепловой мощности и лучистой составляющей каждого источника тепла: Этап 4. Определение коэффициента эффективности воздухообмена, Ktо, в первом приближении: Этап 5. Выбор расчетной разности температур приточного воздуха и воздуха рабочей зоны, Dto=to.z.-to, на основе известных параметров воздухораспределителей, характера трудовой деятельности в помещении и расстояния от воздухораспределителя до ближайшего рабочего места. Этап 6. Предварительный расчет величины воздухообмена, Got, кг/с, принимая в первом приближении Этап 7. Определение коэффициента эффективности воздухообмена, Kt*, с использованием методики и номограмм, приведенных в работе [13]. Этап 8. Сравнение значения Kt*, вычисленного на этапе 7, с Kt, рассчитанным как 0,5 Ktо. Если величина (Kt*-Kt)/Kt* окажется менее 0,1 – переходим к этапу 9. Если же эта величина более 0,1, принимаем Kt=Kt* и повторяем расчет этапа 6. Этап 9. Расчет температуры удаляемого воздуха texh=to+Kt Dto. (5) Этап 10. Расчет температуры приточного воздуха, исходя из заданной температуры в рабочей зоне, to.z., по формуле to=to.z.-Dto. (6) Этап 11. Расчет температурного градиента, Dt/H, по высоте помещения: Если полученное значение Dt/H больше нормативного (по условиям комфорта), следует уменьшить величину Dto и повторить расчет этапа 6. Этап 12. Расчет приточного воздухообмена, Go, с использованием окончательных значений Kt и Dto, по формуле Помещения с теплоизбытками и загрязнением воздухаПри расчете определяются следующие величины:
Допущения
Предлагаемый порядок расчетаЭтап 1. Расчет воздухообмена Go и температурного градиента по высоте помещения Dt/H в соответствии с процедурой этапа 4 предыдущего раздела, посвященного варианту для помещений с преобладанием теплоизбытков. Этап 2. Используя данные таблицы [13, 14] для типовых источников тепловыделений и загрязнений, выполняется расчет высоты уровня стратификации, hstr, с учетом всех источников тепла в рабочей зоне. Общий расход конвективных потоков от источников тепла на уровне стратификации должен быть равен Go, рассчитанному по уравнению (8). Расход воздуха в конвективных струях от каждого источника тепла должен определяться с учетом температурного градиента Dto. Этап 3. Определение коэффициента Kс с использованием методики и расчетных номограмм, приведенных в работе [14]. Этап 4. Расчет концентрации загрязнений в удаляемом воздухе, Cexh, по формуле Этап 5. Расчет концентрации загрязнений в рабочей зоне, Co.z., по формуле Этап 6. Определение концентрации загрязнений в зоне дыхания, Ce, следующим образом: если he<hstr, Ce = Co.z. , (11) или Этап 7. Если величина Ce оказалась меньше ПДК, переходим к выбору воздухораспределителей. Если же Ce больше ПДК, следует увеличить расход приточного воздуха Go с соответствующим уменьшением перепада температур Dto и температурного градиента Dt/H, выполнить пересчет высоты уровня стратификации, hstr. ^Выбор воздухораспределителейПодбор воздухораспределителей производится на основе следующих величин:
Размещение воздухораспределителей и мест удаления воздухаВоздухораспределители в системах вытесняющей вентиляции следует размещать таким образом, чтобы большие препятствия или стены под прямым углом к направлению потока находились на расстоянии не менее 1 м от «ближайшей» зоны. Рекомендуемое минимальное расстояние между воздухораспределителями должно на 1 м превышать суммарную величину их «ближайших» зон. Для сокращения длины воздуховодов часто стараются размещать воздухораспределители на одной стене. Однако размещение воздухораспределителей вдоль разных стен может обеспечить увеличение допустимой нагрузки по холоду для системы вытесняющей вентиляции. При выборе местоположения воздухораспределителей следует принимать во внимание расположение источников тепла. Больший расход приточного воздуха вблизи мест активных тепловыделений позволит уменьшить распространение теплоизбытков по помещению и повысить эффективность их ассимиляции. Места удаления воздуха следует размещать на потолке или вблизи него. Удаление теплоизбытков и загрязнений будет более эффективным, если вытяжные устройства разместить непосредственно над источниками тепла. В ресторанах с отдельными зонами для курящих и некурящих рекомендуется размещать вытяжные устройства в зоне для курящих, а места забора воздуха на рециркуляцию – в зоне для некурящих. ^Выбор типа воздухораспределителейКонструкция и форма воздухораспределителя оказывает существенное влияние на тепловой комфорт в рабочей зоне и на минимально допустимое расстояние до ближайшего рабочего места. Неудачно спроектированный воздухораспределитель может создавать зону с недопустимо высокой подвижностью воздуха (более 0,2 м/с) величиной в несколько метров. В помещениях с большой нагрузкой по охлаждению предпочтительно использование воздухораспределителей эжекционного типа. В некоторых случаях применение эжекционных воздухораспределителей позволяет уменьшить диаметр воздуховодов в приточной системе. В исследованиях, проведенных в Университете Аальборга [15], сравнивались два возможных способа подачи воздуха при одной и той же нагрузке по холоду: 1 – воздух подается обычным воздухораспределителем с расходом 0,083 м3/с при перепаде температур 530С; 2 – воздух подается в количестве 0,033 м3/с при перепаде температур 7,50С. В том и в другом случае скорость воздушной струи на расстоянии 2 м не превышала 0,2 м/с. Важно отметить, что эжекционные воздухораспределители способны создавать дискомфорт в случае применения в системах вентиляции с переменным расходом (VAV). Для эжекции (подсоса) воздуха помещения требуется определенный минимальный расход воздуха в приточной системе. В системах вентиляции с переменным расходом существует риск, что при снижении объема притока в помещение будет поступать чрезмерно холодный воздух. Для предотвращения сквозняков рекомендуется использовать специальные воздухораспределители с внутренними соплами, направляющими воздух в стороны (вдоль стен). Определение количества воздухораспределителейВо всех случаях по условиям комфорта и эффективности лучше использовать большое количество малых воздухораспределителей, чем малое количество более крупных. Если есть возможность выбора, можно использовать воздухораспределители различной формы. Оценка производительностиНаиболее простой подход к проектированию подразумевает, что в помещении используются одинаковые воздухораспределители и их количество минимально. В этом случае определяется допустимая величина «ближайшей» зоны. Наилучший результат достигается в том случае, если для разных мест размещения воздухораспределители подбираются отдельно. В отличие от систем смесительной вентиляции, для проектирования вытесняющей вентиляции существенным является вопрос определения ядра приточной струи. Хотя скорость выпуска воздуха в системах вытесняющей вентиляции, как правило, меньше, чем в смесительных, вблизи воздухораспределителей может ощущаться неприятное дутье. Сочетание низкой скорости выпуска воздуха, перепада температур по притоку 2–40С и сравнительно большой поверхности воздухораспределителей может привести к тому, что значение критерия Архимеда окажется значительно выше, чем для смесительных систем. Влияние гравитационных сил в системах вытесняющей вентиляции может привести к изменению профиля скоростей в струе. Сравнительно равномерный профиль скоростей в сечении приточного отверстия вблизи пола деформируется таким образом, что максимальная скорость находится ближе всего к поверхности пола. Вследствие трансформации поля скоростей приточной струи на некоторых участках у пола может обнаруживаться превышение скорости по сравнению с первоначальной, с последующим затуханием. Чем больше перепад температур в приточной струе, тем большей может быть трансформация поля скоростей и, соответственно, тем сильнее возрастает скорость у поверхности пола. Основываясь на материалах исследований воздухораспределителей, проведенных в Университете Аальборга, можно прийти к заключению, что перепад температур в приточной струе оказывает наибольшее влияние на минимально допустимое удаление воздухораспределителей от рабочей зоны. Если имеются данные изготовителя о рекомендуемом перепаде температур и производительности воздухораспределителя, следует определить минимально допустимое расстояние от воздухораспределителя до рабочего места, принимая граничное значение скорости воздуха 0,2 м/с. Примерная скорость воздушной струи на расстоянии X от воздухораспределителя может быть определена по формуле Если данные изготовителя отсутствуют, а проектировщику известен только тип воздухораспределителя, максимальную скорость в струе Vx можно определить, исходя из расхода воздуха, Go, и расчетного перепада температур (to–to.z.) с использованием следующего уравнения: где: Данные, полученные в Университете Аальборга, показывают, что для первых поколений воздухораспределителей характерны высокие значения показателя K и радиальное распределение потока. У некоторых воздухораспределителей наблюдалось даже направленное движение воздуха вдоль оси при низких значениях критерия Архимеда, что ведет к увеличению значения K. Новое поколение воздухораспределителей обеспечивает настилание струи вдоль стен при незначительной скорости перпендикулярно к стенам. Этому соответствуют малые значения параметра K. Уравнение (14) справедливо при значениях X до 1,5 м от воздухораспределителя. ПримечаниеНесмотря на то что настоящая статья написана по материалам проекта «Разработать руководство по проектированию систем вытесняющей вентиляции», финансируемого Philip Morris management Corp., и проекта «Руководство по системам вентиляции для автомобильной промышленности», все выводы и оценки принадлежат исключительно авторам. Литература
|
Комментарии
можно назвать источник