Автор Александр Бородкин

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.

По каталогу продукции компании TROX (выбрана в качестве примера) ближайшими размерами, соответствующими этим сечениям, будут решетки размером 1025х225 и 425х225 соответственно. Уточнение значения скорости в живом сечении этих решеток дает величину, равную 1,7 м/с.

Итак, исходя из общепринятой практики, для раздачи 880 м3/ч воздуха, переохлажденного до t = -10 К, была бы использована решетка размером 1025х225, а для вентиляционного воздуха — 425х225.

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?

При увеличении размеров решетки будет наблюдаться более ранний отрыв струи и, как следствие, уменьшение длины пути струи воздуха до входа в рабочую зону. Т.е. подвижность воздуха на входе в рабочую зону может не только не снизиться, но и увеличиться. Кроме того, следует ожидать значительно большего переохлаждения воздуха в струе на входе в рабочую зону.

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.

При установке решетки 425х225 будут наблюдаться следующие характеристики: отрыв струи от потолка; струя приточного воздуха с переохлаждением t = -2,44 K и скоростью 0,56 м/с попадает в рабочую зону на расстоянии 4,1 м от места установки.

Для решетки 325х225: без отрыва струи, воздух с параметрами t = -2,06 K и 0,63 м/с попадает в рабочую зону по противоположной от места установки решетки стене.

Какую же из этих двух решеток выбрать?

Если допустимо повышение уровня шума в помещении, то выбор решетки 325х225 предпочтительнее. Почему? В этом случае, мы наблюдаем безотрывное течение. Если использовать решетку с вертикальными ламелями, можно снизить подвижность воздуха на входе в рабочую зону до 0,25–0,35 м/с путем увеличения угла раствора струи.

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.

Необходимое условие отсутствия смыкания струй — расстояние между решетками не менее 0,15 . L (длину пути струи) при расстоянии от потолка не более 0,3 м!

При существующих габаритах помещения дальнейшее увеличения числа решеток нецелесообразно. Почему? Рассмотрим пример.

Возьмем три решетки, расход воздуха на каждую будет равен:
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.

В данном помещении при использовании трех решеток расстояние между ними не превысит 0,45 м. Так как это меньше 0,9 м, следует ожидать смыкания струй на расстоянии меньше длины помещения, т.е. параметры воздуха на входе в рабочую зону будут значительно отличаться от определенных выше. Опираясь на данные каталога, при расстоянии между решетками менее 0,1 . L, их рабочие характеристики на длине L будут близки к производительности одной линейной решетки с эквивалентной длиной,оцениваемой по формуле:
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.

Номограммы для определения параметров воздуха в линейных решетках отличаются от традиционных. Расчет параметров воздуха ведется исходя из величины удельного расхода воздуха. В данном случае он равен:
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.

Таким образом при использовании трех решеток из-за характерных особенностей, присущих данному помещению (самая главная — отсутствие достаточного пространства), эффективность воздухораздачи значительно снижается даже по сравнению с предыдущим вариантом использования одной решетки.

Итак, для данного конкретного случая оптимальным решением будет использование двух решеток размером 325х225 для раздачи охлаждающего воздуха и одной размером 425х225 — для вентиляционного. Что касается вытяжки, то требуемому уровню акустики удовлетворяют решетки с размерами 1025х225 для охлаждающего и 425х225 — для вентиляционного потоков.

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.

Ближайшими размерами, соответствующими этим сечениям, будут диффузоры размером 600 и 500 с эффективными скоростями равными 2,2 и 1,5 м/с.

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.

Т.е. при использовании четырехсторонних диффузоров при L до 3 м теряется до 10% холода. При расстоянии 5 м эта величина уменьшится до 3% (0,25 . 0,13 = 0,03).

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).

Соответствующие параметры воздуха на входе в рабочую зону (у стены) для 500 диффузора будут иметь значения: v = 0,48 м/с,t = -2,6 K.Между диффузорами: v = 0,35 м/с,t = -2,6 м/с.

В качестве вытяжных диффузоров можно использовать аналогичные диффузоры: 500 и 400 либо решетки.

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.

В Табл. 3 сведены основные результаты анализа. В Табл. 4 — результаты сопоставления цен только приточных устройств, т.к. для вытяжки могут быть использованы одни и те же вытяжные решетки.

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. ■