Выбор воздухораспределяющего устройства

        В настоящее время вопросам распределения воздуха не уделяется достаточного внимания. Общепринятой практикой является выбор размера воздухораздающего устройства по фиксированному значению скорости воздуха в живом сечении. Причем само значение скорости выбирается, как правило, на основании опыта проектировщика.
      Данная статья преследует несколько целей: иллюстрация последствий такой практики и знакомство с методами, основанными на принятии решения не на основании косвенных параметров, а непосредственно по параметрам регламентированным СНиПом.
      Анализ результатов раздачи воздуха выполнялся применительно для помещения следующих размеров: 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 данных, перечисленных выше, был выполнен тепловой баланс помещения. Результаты представлены в Табл.1

                                                                                                                                                                   Табл.1

       Автор не претендует на высокую точность выполнения теплового баланса помещения. Но для анализа эффективности воздухораспределения необходимо конкретное значение величина расхода воздуха и его температура, поэтому и появилась Табл.1.
      Зная суммарные тепловыделения и количество людей в офисе, были определены потребные расходы. Отдельно расход воздуха, обеспечивающего температурный режим помещения, и расход воздуха на вентиляцию. Также определены и соответствующие величины их температурного переохлаждения относительно температуры воздуха в помещении, см.Табл.2.    Под переохлаждением воздуха будем понимать разность между температурой приточного воздуха в струе и расчетной температурой воздуха в помещении.

                                                                                                                                                      Табл.2

     Деление воздуха на охлаждающий и вентиляционный условно. Сделано это специально для того, чтобы подчеркнуть, что основные проблемы связаны с раздачей больших расходов сильно переохлажденного воздуха. Раздача же вентиляционного воздуха, как правило, не вызывает значительных трудностей.
     Критериям комфорта для офисных помещений, в предположении постоянного пребывания людей на рабочем месте, соответствуют следующие параметры: подвижность воздуха VL на входе в рабочую зону (высота рабочей зоны для сидящих людей - 1,3 м) не должна превышала 0,25 м/сек, уровень мощности источников шума Lwa < 40 dB(A), переохлаждение приточного воздуха относительно температуры воздуха в помещении на входе в рабочую зону dT> - 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. Именно их изготавливают российские производители и, поэтому при анализе эффективности воздухораздачи, в первую очередь внимание уделялось именно этим типам оборудования. Что касается вихревых воздухораспределителей, то этот тип воздухораспределителя наиболее широко используется в зарубежной практике.
     Итак выбор типов воздухораздающих устройств, участвующих в анализе, был ограничен следующим оборудованием:
1. Вентиляционные решетки. Расположены в стене между коридором и офисом (высота потолка - 3,1 м);
2. Струйные четырехсторонние диффузоры. Расположены на потолке (высота потолка - 2,7 м);
3. Вихревые диффузоры. Расположены на потолке (высота потолка - 2,7 м).

  1. Вентиляционные решетки.

     Как уже упоминалось выше общепринятой практикой при подборе размеров решеток - это выбор по значению скорости воздуха в живом сечении решетки. Зададимся значением скорости в живом сечении равным 2 м/сек. Тогда требуемое живое сечение решетки для охлаждающего воздуха будет равно Aeffо = 880/3600/2 = 0,122 м2, а вентиляционного Aeffv = 0,05 м2. Если воспользоваться продукцией компании TROX, то 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 -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 воспользуемся данными, приведенными в каталоге TROX.
В соответствии с диаграммами, представленными в каталоге, при скорости в живом сечении равной 1,7 м/сек и переохлаждении воздуха -10К следует ожидать отрыва струи воздуха от потолка. При этом центральное ядро струи, переохлажденное до -3,9К, со скоростью 0,7 м/сек, будет входить в рабочую зону на расстоянии 4,1 м от места установки решетки.
Уровень шума, генерируемое решеткой не будет превышает 15 dB(A) в случае подвода воздуха патрубком по сечению равным сечению решетки и длиной не менее 1 м. При наличии монтажной коробки уровень шума увеличится и может достигать величины 30..40 dB(A) в зависимости от размеров, конструктивного исполнения и качества изготовления коробки. Если возникнет необходимость производить балансировку сети, т.е. устанавливать требуемый расход воздуха путем увеличения перепада давления на решетке, следует ожидать повышения уровня шума. Например; в случае 50% закрытия регулятора расхода уровень шума повыситься до 25 и 40..45 dB(A) соответственно.
     Что касается вентиляционного воздуха, то как и следовало ожидать, результаты значительно лучше. Воздух 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.
    На основе вышеприведенных результатов можно сделать следующие выводы:
1. Выбор сечения решетки, раздающей вентиляционный воздух, на основании существующей практики следует признать удовлетворительным.
2. Выбранная на основании существующей практики решетка, не удовлетворяет предъявляемым требованиям в случае необходимости раздачи больших расходов сильно переохлажденного воздуха.

     В настоящее время также широко используется практика занижения значений эффективной скорости воздуха в живом сечения решетки. Делается это с целью уменьшения подвижности воздуха в рабочей зоне. Реализуется это путем увеличения размеров решетки. Однако увеличение размеров решетки, особенно для сильно переохлажденного воздуха, ведет не к улучшению ситуации, а к ее ухудшению. 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 снизится, но и увеличится. Кроме того, следует также ожидать значительно большего переохлаждения воздуха в струе на входе в рабочую зону.

     Одним из возможных путей повышения эффективности раздачи сильно переохлажденного воздуха при использовании решеток - это увеличение их количества.

     Воспользуемся отличным, от обшепринятого в настоящее время, алгоритмом подбора решеток. Он представлен ниже:
1. Определение размера решетки на основании допустимого уровня шума;
2. Для выбранного размера определение возможности отрыва струи, и при необходимости коррекция размера решетки;
3. Определения параметров воздуха в струе на входе в рабочую зону, и при необходимости коррекция размеров решетки.

     Ниже представлены последствия замены одной решетки размером /1025х225/ на две.
Расход воздуха на одну решетку Lo=440 м3/час.
В соответствии с каталогом TROX требованиям по уровню шума удовлетворяет решетка размером /425х225/. Соответствующее значение уровня шума Lwa < 15 dB(A). Несколько большее значение шума, а именно Lwa=18 dB(A), имеет решетка размером /325х225/.
Какие же аэродинамические характеристики имеет эти решетки?

Решетка /425х225/
Отрыв струи от потолка. Струя приточного воздуха с переохлаждением -2,44 K и скоростью 0,56 м/с попадает в рабочую зону на расстоянии 4,1 м от места установки решетки.

Решетка /325х225/
Без отрыва струи. Воздух с параметрами -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 решетке /325х225/ наблюдается 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 TROX увеличение угла раствора струи с 20 град до 35 град уменьшает подвижность воздуха на 30%, а при увеличении до 60 град - в 2 раза. Однако достигается это за счет увеличения уровня шума и необходимости увеличения расстояния между решеток.
     При анализе аэродинамических параметров воздуха мы предполагали, что решетки "работают" независимо друг от друга, т.е смыкания струй до входа в рабочую зону не наблюдается. Однако это не всегда справедливо. В соответствии с каталогом TROX при расстоянии между решеток менее 0,15х L, где L - длина пути струи воздуха от места установки решетки, установленных на высоте не ниже 0,3 м от потолка, следует ожидать смыкания струй,. Т.е. вышеперечисленные параметры воздуха будут наблюдаться только, если расстояние между решеток не менее 0,15х(4,58+(2,7-1,3))= 0,9 м.

    Необходимое условие для отсутствия смыкания струй - расстояние между решетками не менее 0,15 х (длину пути струи). При расстоянии от потолка не более 0,3 м.

     При существующих габаритах помещения дальнейшее увеличения числа решеток не целесообразно. Почему?

    Возьмем три решетки. Расход воздуха на одну решетку Lo = 293 м3/час. Требованиям по уровню шума (Lwa < 15 dB(A)) удовлетворяют решетки следующего размера /225х225/. В отсутствии смыкания струй решетки обеспечивали бы следующие параметры.
     Отрыва струи нет. Воздух с переохлаждением -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 превышает 0,45 м. Так как это расстояние меньше 0,9 м, следует ожидать смыкания струй на расстоянии меньшем длины помещения. Т.е. параметры воздуха на входе в рабочую зону будут значительно отличаться от определенных выше. Какие же параметры следует ожидать? В соответствии с каталогом TROX при расстоянии между решетками менее 0,1хL , их параметры на длине L будут близкими к параметрам от одной линейной решетки, имеющей эквивалентную длину оцениваемую NхB+(N-1)хB1, где N- количество решеток, B-длина решетки, B1- расстояние между решетками. В нашем случае длина линейной решетки оценивается величиной равной 1,6 м. Для определения параметров воздуха в линейных решетках используются иные номограммы, чем для обычных решеток. 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 величиной 1 м/с. Известно, что при скорости ниже 1,5 м/с резко снижается коэффициент эжекции. Т.е. подвижность воздуха в струе, а также и ее температура практически будут незначительно зависеть от расстояния от решетки. На основании сказанного выше мы знаем, что при больших переохлаждениях воздуха, струя отрывается от потолка. Причем, чем больше переохлаждение воздуха и ниже ее скорость на выходе, тем ближе к решетке. Это значит, что при эффективных скоростях меньших минимально допустимых и при значительных переохлаждениях воздух попадает в рабочую зону в непосредственной близости от решетки с скоростями и температурами близкими к соответствующим параметрам на выходе из решетки.
     Таким образом при использовании трех решеток из-за характерных особенностей, присущих данному помещению, а именно отсутствия достаточного пространства, эффективность воздухораздачи значительно снижается даже по сравнению со случаем использования одной решетки.
     Итак: для данного конкретного случая оптимальным решением при использовании вентиляционных решеток является 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.

2. Струйный потолочный диффузор с раздачей воздуха на четыре стороны.

     Данный тип диффузоров, как и решетки наиболее широко используется в современной практике. Именно этим объясняется его выбор.
     Для определения первого приближения величины требуемого сечения, примем скорость воздуха в эффективном сечении диффузора равной Veff = 2 м/с. В этом случае для охлаждающего воздуха сечение равно Aeffо = 880/3600/2 = 0,122 м2, а для вентиляционного Aeffv = 0,05 м2. Ближайшими размерами, соответствующими этим сечениям, будут диффузоры размером /600/ и /500/ с эффективными скоростями равными 2,2 и 1,5 м/сек.
     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.
     Используя каталог TROX определим параметры воздуха на входе в рабочую зону у стены для охлаждающего воздуха: V=0,39 м/с, dT = -3,7 K. Параметры воздуха между охлаждающим и приточным диффузорами можно только оценить, т.к. значительно отличаются параметры смешивающихся потоков. В качестве приближения можно определить параметры смешения от двух охлаждающих диффузоров - V=0,27 м/с , dT=-3,7 K. Т.е. вблизи стены параметры воздуха несколько хуже, чем между диффузорами.
     Как уже говорилось, каталог TROX предоставляет возможность определить изменение переохлаждения воздуха вдоль струи. В свою очередь это позволяет проектировщику оценить влияние расстояния между приточным и вытяжным диффузорами на величину холода, уносимого в вытяжку. При расстоянии между приточным и вытяжном диффузорах равном L= 2,9 м для диффузора размером /600/ отношение переохлажденного воздуха на длине L к воздуху на выходе из диффузора - dTl/dTz = 0,3. В 4-х стороннем диффузоре ориентировочно около 25 % воздуха идет в направлении вытяжки. Поэтому долю холода теряемую в вытяжке можно оценить следующей величиной 0,25х0,3=0,075.
      Т.е. при использовании 4-х сторонних диффузоров при L до 3 м теряется до 10% холода. При расстоянии 5 м эта величина уменьшится до 3 % (0,25х0,13 = 0,03).
    Знание акустических характеристик оборудования позволяет, без нарушения норм, уменьшить габариты диффузоров. При уровне шума до 40 dB(A) для охлаждающего воздуха можно использовать диффузор размером /500/ (Lwa<=35 dB(A), Veff = 3,62 v/c), а для вентиляционного - /400/ (Lwa<=25 dB(A), Veff = 2,7 м/c).
     Соответствующие значения параметров воздуха на входе в рабочую зону (у стены) для /500/ диффузора будут иметь значения: V=0,48 м/с, dT = -2,6 K. Между диффузорами не хуже: V=0,35 м/с, dT=-2,6 м/с.
     В качестве вытяжных диффузоров можно использовать аналогичные диффузоры: /500/ и /400/, либо решетки.

3. Вихревой диффузор.

     Данные типы диффузоров, в отличии от западных проектов, к сожалению практически не используются в современной отечественной практике.
     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 равно 2,29 м.
     Используя каталог компании TROX определим параметры воздуха на входе в рабочую зону у стены для охлаждающего воздуха: V=0,36 м/с, dT = -0,6 K. Параметры воздуха между охлаждающими диффузорами - V=0,29 м/с , dT=-0,6 K.
     Оценим потерю холода при использовании вихревых диффузоров. При расстоянии между приточным и вытяжном диффузорах равном L= 2,29 м для диффузора размером /315/ отношение переохлажденного воздуха на длине L к воздуху на выходе из диффузора - dTl/dTz = 0,06. Поэтому долю холода теряемую в вытяжке можно оценить следующей величиной 0,25х0,06=0,015. Т.е. менее 2 %.
     Т.е. использование вихревых диффузоров позволяет: с одной стороны существенно улучшить комфорт в помещении, а во-вторых значительно уменьшить потери холода и свежего воздуха. Однако при одном и том же уровне шума, они могут раздавать меньшие расходы воздуха. Т.е. достижение комфорта более высокого уровня достигается более высокой ценой.
     В Табл.3 сведены основные результаты анализа.

                                                                                                                                                      Табл.3

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

                                                                                                                                                         Табл.4

     В своей работе проектировщики лимитированы временем. Им не безразлично сколько времени необходимо затратить на выбор воздухораздающего оборудования. И здесь TROX на высоте. Основной принцип, заложенный в каталог TROX - максимально сократить время проектировщика на подбор оборудования. Например расчет всех вариантов в данной статье занял не более 20 мин времени.
     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 работы продемонстрировать последствия принятия необоснованных решений и показать, что есть иной путь и иные решения. Ответственность за правильный выбор лежит на проектировщике. Мы лишь призываем делать его осознанно.