Руководство по проектированию эффективной вентиляции
(рабочая версия)

Журнал «АВОК» начинает публикацию рабочей версии этого Руководства и приглашает всех специалистов к обсуждению рассматриваемых вопросов, мы просим присылать ваши замечания, предложения и комментарии по адресу rehva-guidebook@abok.ru.

В этом номере мы публикуем разделы «Для чего нужна эффективная вентиляция» и «Типичные загрязняющие вещества и их распределение в вентилируемых помещениях». Остальные разделы Руководства по проектированию эффективной вентиляции будут напечатаны в следующих номерах нашего журнала.

Руководство по проектированию эффективное вентиляции содержит следующие разделы:

1. Общее представление об эффективности вентиляции.

2. Для чего нужна эффективная вентиляция.

2.1. Четыре причины необходимости проверки качества вентиляции.

2.2. Обеспечение свежим воздухом, удаление загрязняющих веществ.

2.3. Несколько приточных и вытяжных отверстий.

2.4. Влияние кратности рециркуляции воздуха на эффективность вентиляции.

2.5. Эффективность специальных систем вентиляции.

3. Типичные загрязняющие вещества и их распределение в вентилируемых помещениях.

4. Теория и определения.

4.1. Краткое содержание.

4.2. Введение.

4.3. Концепция «возраста» воздуха.

4.4. Эффективность воздухообмена.

4.5. Эффективность удаления загрязняющих веществ.

4.6. Измерения среднего «возраста» воздуха.

5. Измерения.

5.1. Пробные газы.

5.2. Анализаторы.

5.3. Ввод пробного газа.

5.4. Процедуры измерения эффективности вентиляции.

5.5. Вычисление эффективности вентиляции по результатам измерений концентрации.

5.6. Ввод в эксплуатацию.

6. Математическое моделирование воздушных потоков в помещении.

7. Проектирование эффективной вентиляции.

7.1. Конкретные проекты.

8. Имеющиеся стандарты.

2. Для чего нужна эффективная вентиляция

2.1. Четыре причины необходимости проверки качества вентиляции

Спроектировать и создать хорошую вентиляционную систему – это одно дело, а действительно знать, насколько хорошо она работает – совсем другое. Иногда фактические реалии значительно отличаются от намерений проектировщика. Поэтому имеется много причин для оценки эффективности вентиляции на самых ранних стадиях проектирования или уже после создания системы вентиляции. В качестве таких причин можно указать следующее:

- Во время ввода в эксплуатацию покупатель хочет знать, что он получает за свои деньги.

- Контроль качества предотвращает более позднюю дорогостоящую регулировку.

- Измерение эффективности вентиляции может помочь в устранении неполадок при обнаружении их клиентом.

- Хорошая вентиляция с подобающим контролем качества необходима для достижения следующих условий:

• обеспечение здоровья находящихся в помещении людей;

• обеспечение качества продукции на производственных предприятиях;

• большая производительность труда персонала;

• больший комфорт людей в общественных зданиях, в ресторанах или магазинах.

Сразу же возникает вопрос о финансовых вложениях, необходимых для осуществления измерений или оценки эффективности вентиляции. На этот вопрос должен ответить сам подрядчик. В любом случае деньги не будут потрачены зря, если меры по повышению качества вентиляции будут способствовать повышению степени удовлетворения клиентов.

2.2. Обеспечение свежим воздухом, удаление загрязняющих веществ

Вентиляция нужна для удаления загрязняющих веществ, для подачи наружного (можно надеяться – свежего) воздуха в помещение и иногда для отвода избыточного тепла. В данном руководстве основной упор сделан на качество воздуха в помещении, здесь не затрагиваются вопросы контролирования температуры для обеспечения теплового комфорта.

Концентрация и распределение загрязняющих веществ тесно связаны с движением воздуха в помещении, поэтому приток свежего воздуха позволяет удалять застоявшийся или загрязненный воздух. Может быть показано, что подача свежего воздуха и удаление загрязняющих веществ по существу являются разными сторонами одной и той же проблемы. Достаточность воздухообмена может в основном оцениваться его способностью поддерживать достаточно низкую концентрацию загрязняющих веществ в заданной точке. На рис. 2.1 показан локальный, или точечный, источник загрязняющих веществ Q, характеризующийся интенсивностью выделения этих веществ S, и критическая точка Р замера концентрации на уровне носа человека.

Рисунок 2.1. Считается, что вентиляция работает хорошо, если воздух, вдыхаемый находящимися в помещении людьми, имеет низкую концентрацию загрязняющих веществ. Источник загрязнения Q, датчик или рецептор Р

Рисунок 2.2. Если в установившемся состоянии воздух подается и удаляется с расходом qv, увеличение концентрации у вытяжного отверстия се по отношению к концентрации у приточного отверстия сs может быть определено методом простого баланса массы

Значение уровня загрязнения в точке Р используется для сравнения с опубликованными данными по предельно допустимому уровню концентрации (ПДК) для конкретных загрязняющих веществ. Для суждения о потоке вентиляционного воздуха и для возможности сравнения с другими системами удобно пользоваться  относительными значениями концентрации. При этом в разных случаях используются различные определения эффективности вентиляции.

Если действительное положение находящего в помещении человека не известно или если интересует только один обобщенный показатель, то рассчитывается эффективность для всего помещения при заданном положении источника (рис. 2.2).

Иногда источник загрязнения перемещается по помещению или его положение не известно. В этом случае предполагается равномерное распределение источника загрязнения, как показано на рис. 2.3 для единственной точки измерения Р.

Если не известно ни положение источника Q, ни положение измерительного датчика Р, применяется наиболее общее (и неопределенное) описание, использующее такие показатели, как эффективность вентиляции для всего помещения при равномерно распределенных источниках (рис. 2.4).

Рисунок 2.3. Источник загрязнения равномерно распределен по всему помещению, концентрация измеряется в точке Р. Это соответствует концепции «возраста» воздуха в точке. Сетка квадратов обозначает распределенные источники

Рисунок 2.4. Требуется определить только среднюю концентрацию в помещении при равномерно распределенных источниках загрязняющих веществ. В этом случае применяется концепция среднего «возраста» воздуха в помещении

2.3. Несколько приточных и вытяжных отверстий

На практике вентиляция зданий осуществляется через несколько приточных и вытяжных отверстий. Это усложняет задачу. В разделе 5 данного Руководства будет показано, как определяются параметры качества воздуха и эффективности системы вентиляции при нескольких вентиляционных отверстиях. Также вызывает интерес вопрос о том, какое влияние на качество воздуха в точке измерения Р оказывает приток воздуха через отверстие s_m. А в некоторых приложениях хотелось бы знать, можно ли уменьшить локальную концентрацию загрязняющих веществ в точке измерения Р изменением потока воздуха, выводимого через отверстие en. Эти вопросы обсуждаются в литературе (Kato et al., 1998, 1992) и рассматриваются в практических руководствах, представленных в разделе 7.

Рассмотрим баланс воздуха и загрязняющих веществ в установившемся состоянии.

Выражение для баланса масс в предположении постоянной плотности записывается следующим образом:

(2.1)

где q_Sm– расход приточного воздуха через отверстие s_m;

q_en – расход вытяжного воздуха через отверстие e_n.

Тогда баланс одного загрязняющего вещества от источников Q_i c интенсивностью выделения S_i выражается как

(2.2)

2.4. Влияние кратности рециркуляции воздуха на эффективность вентиляции

В обычных системах кондиционирования воздуха часть вытяжного воздуха отводится на рециркуляцию, где этот воздух смешивается с наружным воздухом и затем агрегатом обработки воздуха вновь подается в помещение. Такой метод позволяет уменьшить мощность, необходимую для охлаждения воздуха, если рециркуляционный воздух холоднее наружного. В то же время, при высокой интенсивности рециркуляции качество внутреннего воздуха ухудшается. При сравнении ситуаций с различной кратностью рециркуляции необходимо помнить, что границы системы обеспечения эффективной вентиляции совпадают с границами помещения, т. е. через помещение с разной кратностью пропускается воздух одного и того же качества. Поэтому изменение кратности рециркуляции воздуха не влияет на расчетную эффективность вентиляции. Поэтому на вопрос, влияет ли кратность рециркуляции на эффективность, следует ответить «нет».

Таблица 2.1 Четыре основные комбинации расположения источника и измерительного датчика, рассматриваемые при определении эффективности вентиляции

Датчик Источник Положение источника Q Равномерно распределенные источники или неизвестное положение источника Положение датчика Положение Q влияет на датчик Р или Si->cj Рисунок 2.1 Концентрация известна в любой точке Р: составление диаграммы концентрации c (x, y, z) или среднего «возраста» воздуха в точке для любой точки Р (x, y, z) Рисунок 2.1 Среднее значение Требуется определить общее качество воздуха или среднее значение по всему помещению Q влияет на все помещение: расчет среднего «возраста» воздуха в помещении или составление диаграммы концентрации c (Si, x, y, z) Рисунок 2.1 Одно значение на все помещение: расчет «возраста» воздуха в помещении Рисунок 2.1

Таблица 2.2 Различные варианты вентиляции при нескольких приточных и вытяжных отверстиях

Приток Вытяжка Одно вытяжное отверстие Несколько вытяжных отверстий Одно приточное отверстие Несколько приточных отверстий

2.5. Эффективность специальных систем вентиляции

Представляемые в этой книге параметры производительности в основном относятся к помещениям с людьми, например к офисам, публичным и жилым помещениям и т. д. В особых случаях вводятся дополнительные определения эффективности вентиляции. Например, наиболее важным параметром для систем промышленной вентиляции является эффективность улавливания загрязняющих веществ (Goodfellow, Tahti, 2001; Европейский стандарт CEN/TC121/SC9/WG4, 1999; Gubler, 2002; Nielsen et al., 1994).

Для оценки качества воздуха в операционной или в чистой комнате производится локальный подсчет загрязняющих частиц. Количество частиц в кубическом метре пространства может различаться на несколько порядков, поэтому в качестве определения эффективности вместо концентрации был принят показатель логарифма концентрации. Этот модифицированный показатель хорошо зарекомендовал себя в качестве средства сравнительной оценки областей с очень малой и очень высокой концентрацией частиц загрязняющего вещества (Kulpmann, 2002). В данной книге не затрагиваются вопросы эффективности вентиляции в особых условиях.

3. Типичные загрязняющие вещества и их распределение в вентилируемых помещениях

Для нормального жизнеобеспечения здания требуется подача свежего воздуха и отвод избыточного тепла, удаление газов и частиц, выделяемых в этом здании. Тепло выделяется находящимися в здании людьми, различного рода оборудованием (компьютерами, телевизорами, освещением и т. д.), а также проникающей в помещение солнечной радиацией. Внутри зданий также образуются и выделяются в воздух пар, различные газы и посторонние частицы. Приготовление пищи, сушка, например одежды, и сами люди повышают влажность в помещении. Несомненно, табачный дым является самым главным источником химического загрязнения внутреннего воздуха, кроме этого, большой вклад в загрязнение вносят летучие органические составы (VOC), выделяющиеся из строительных материалов, мебели, бытовых средств, косметики и офисных материалов (Molina et al., 1989). В качестве газообразных веществ, загрязняющих воздух в здании, следует указать углекислый газ (СО₂), угарный газ (СО), двуокись азота (NO₂) и озон (О₃). Углекислый газ выдыхают люди, к тому же он является естественным компонентом атмосферного воздуха. СО и NO₂ могут образовываться при неполном сгорании и курении, озон вырабатывается копировальными аппаратами и лазерными принтерами (Molina et al., 1989).

Имеющиеся в воздухе загрязняющие вещества должны удаляться из здания системой вентиляции. Основным предназначением вентиляции является создание потока воздуха, ассимилирующего загрязняющие вещества от различных источников таким образом, чтобы локальная концентрация загрязнений была достаточно низкой во всем пространстве помещения. Концентрация в вытяжном воздухе определяется выражением

(3.1)

где с_е – концентрация в вытяжном воздухе, мг/м³;

S – интенсивность выделения (мг/с);

q_v – расход вентиляционного воздуха, м³/с;

c_s – концентрация в приточном воздухе, мг/м³.

В некоторых упрощенных ситуациях предполагается, что воздух полностью перемешивается в помещении. Это означает, что концентрация во всем помещении равна концентрации в вытяжном воздухе с_е. Однако этого не может быть в реальной ситуации. В переносе загрязняющих веществ участвуют как конвекция, так и ламинарная и турбулентная диффузия, благодаря чему в помещении обязательно образуется градиент концентрации. Концентрация в некоторых точках помещения будет выше, а в некоторых – ниже концентрации в вытяжном воздухе.

Рисунок 3.1. Распределение концентрации с/се в помещении с изотермическим двумерным потоком и источником загрязнений, покрывающим весь пол

На рис. 3.1 показано распределение концентрации в помещении с приточной щелью, двумерным изотермическим потоком и источником загрязнений, покрывающим весь пол. Локальная концентрация нормализована по отношению к концентрации в вытяжном воздухе. Концентрация в левой части помещения под приточной щелью в четыре раза выше концентрации в вытяжном воздухе, из чего ясно, что в помещениях с перемешивающей вентиляцией образуются значительные градиенты концентрации. Применение меньшей приточной щели с h₀/H=0,01 уменьшает концентрацию до уровня удвоенной концентрации в вытяжном воздухе, но и в этом случае сохраняется значительный градиент, который необходимо учитывать при проектировании системы вентиляции (Nielsen, 1981).

На рис. 3.1 показаны также значения относительной скорости воздуха в разных точках. Из рисунка видно, что низкая концентрация связана с высокой скоростью в точке, а высокая концентрация – с низкой скоростью или вообще с отсутствием перемещения воздуха в окрестностях точки.

Показанное на рис. 3.1 движение воздуха является изотермическим. Теплый воздух от отопительной системы вызывает образование стратификации в помещении, что ведет к значительному локальному сужению потока, как будет показано ниже (Heiselberg, Nielsen, 1987).

Рисунок 3.2. Распределение концентрации с/се при различном положении линейного источника. Двумерный изотермический поток, h0/H=0,01 и L/H=3,0

На рис. 3.2 показан пример распределения концентрации от линейного источника. Из этого рисунка видно, что положение источника загрязняющих веществ важно для распределения и уровня загрязнения. В верхней части рисунка линейный источник расположен вблизи зоны максимальной скорости воздуха в зоне обслуживания, в этом случае максимальное значение концентрации в области под приточной щелью равно 1,25–1,5 с_е. Концентрация возрастает до величины 3,0 с_е, если источник располагается под приточной щелью в неподвижном воздухе, как в ситуации, представленной в нижней части рисунка. Все это подчеркивает важность положения источника в помещении с вентиляцией перемешивающего типа.

Рисунок 3.3. Воздействие людей на потоки от источников загрязнений Q вследствие теплового пограничного слоя вокруг человеческих тел, локальных возмущений воздушного потока, движения и дыхания людей

При наличии в помещении градиентов концентрации присутствие людей влияет на распределение загрязняющих веществ (рис. 3.3). Тепловой пограничный слой вокруг человеческих тел способствует вертикальному перемещению воздуха, а движение людей и сужение потока, вызываемое человеческими телами, вызывают вертикальные и горизонтальные потоки загрязняющих веществ, даже в противоположном от основного потока направлении. Таким образом, присутствие людей значительным образом влияет на локальные модификации распределения концентрации и, тем самым, на качество воздуха в помещении, и это уже действительно зафиксировано на практике.

Находящийся в помещении человек (рис. 3.3) изменяет распределение концентрации до значений, показанных на рис. 3.4 (H=3 м, L=9 м). В верхней части представлена ситуация, когда человек стоит от стены на расстоянии 3 м. Концентрация рядом с ним со стороны торцевой стены с приточным отверстием равна c_b/c_e=2,0, а в противоположном направлении этот показатель равен 1,2. Оба эти значения отличаются от величины c_p/c_e=1,2, полученной в пустом помещении в зоне дыхания человека. Нижняя часть рисунка демонстрирует ситуацию, когда человек находится на расстоянии 6 м от стены с приточным отверстием. Концентрация в этом месте в пустом помещении на том же расстоянии от пола равна c_p/c_e=1,2, а в присутствии человека – 1,3 и 0,9 по разные от него стороны (Brohus, 1997).

Рисунок 3.4. Распределение загрязнений в плоскости симметрии помещения с источником загрязнений, покрывающим весь пол. Два случая положения человека в плоскости симметрии. Показатели концентрации нормализованы делением на величину концентрации в вытяжном воздухе с*=с/се

Расположение вытяжного отверстия может значительно влиять на распределение концентрации, оказывая при этом очень небольшое воздействие на распределение скоростей. При вентиляции охлажденным воздухом вытяжное отверстие должно быть расположено сверху, а при обогреве помещения теплым воздухом – снизу.

На рис. 3.5 показаны результаты измерений, представленных Матисеном и Скаретом (Mathisen, Skaret, 1983). Система вентиляции работает в основном с теплым приточным воздухом с разностью температур приточного и вытяжного воздуха q_s–q_e. Концентрация c_p есть величина, усредненная по всему помещению на расстоянии 1,7 м от пола.

Высокое расположение вытяжного отверстия обуславливает тепловую стратификацию и малую степень воздухообмена в зоне обслуживания. Расположение источника загрязняющих веществ в нижней части помещения и режим системы воздушного обогрева с разностью температур Dq, равной 15°С, увеличивают концентрацию до учетверенного уровня концентрации в вытяжном отверстии.

Рисунок 3.5. Уровень концентрации в помещении с теплым приточным воздухом c разным расположением вытяжного отверстия, n=3 ч-1

На рис. 3.5 показано, что при низком расположении вытяжного отверстия показатель c_p/c_e поддерживается на уровне 1,0, даже при большой разности температур. На рисунке видно, что для ситуаций с разным расположением вытяжного отверстия основные потоки идентичны, но при низком положении отверстия воздух отклоняется книзу, проходя через зону обслуживания. Это, в отличие от ситуации с высоким расположением вытяжного отверстия, предотвращает рост концентрации в нижней части помещения до высокого уровня.

Случаи, представленные рисунками 3.1, 3.2, 3.4 и 3.5, относятся к перемешивающей вентиляции, когда предполагается, что вариации распределения концентрации лежат в определенных пределах. В основе другого типа вентиляции – вытесняющей вентиляции – лежит идея принятия высокого уровня концентрации загрязняющих веществ под потолком и низкого уровня – в зоне обслуживания. Это возможно, если загрязняющие вещества выделяются вместе с теплом от нагретого предмета.

Рисунок 3.6. Распределение концентрации загрязняющих веществ в помещении с вытесняющей вентиляцией. Показано, как присутствие человека влияет на концентрацию загрязняющих веществ в воздухе

На рис. 3.6 показано распределение концентрации в помещении с вытесняющей вентиляцией (Brohus, 1997). В помещении имеется вертикальный градиент концентрации загрязнений с низкой концентрацией у пола и высокой концентрацией с_е вблизи потолка. Тепловой пограничный слой вокруг человеческого тела способствует перемещению относительно чистого воздуха в зону дыхания, в результате концентрация во вдыхаемом воздухе c_b ниже концентрации на той же высоте в других местах в помещении. Это важный эффект потока в помещении со стратификацией концентрации при использовании вытесняющей вентиляции. При движении человека со скоростью около 0,2 м/с защитный эффект пограничного слоя вокруг тела исчезает (Bjorn, Nielsen, 2002) и (Mattsson, Sandberg, 1994). Эффект образования градиентов концентрации в помещениях с вытесняющей вентиляцией рассматривался также Брохусом и Нильсеном (Brohus, Nielsen, 1996). Эффект возмущающих воздействий (открытие и закрытие дверей и т. д.) обсуждается в публикации Мундт (Mundt, 1993).

Обычно утверждается, что плотность загрязняющих веществ не имеет особенно большого значения, так как влияние конвекции и турбулентной диффузии гораздо больше влияния сил гравитации на загрязняющие вещества. Однако утверждение это справедливо не во всех случаях. Эксперименты с SF6, имеющего плотность в пять раз большую плотности воздуха, показали, что концентрация у пола в 10–20 раз превышает средний уровень концентрации в помещении (Hansen et al., 1988). Этот эффект наиболее заметен в помещениях с ограниченным или недостаточным перемещением воздуха.

На загрязняющие вещества в виде твердых частиц сила тяжести также оказывает воздействие. Эксперименты в офисных помещениях с вытесняющей вентиляцией показали, что люди и их перемещения оказывают на распределение твердых частиц большее влияние, чем тип системы распределения воздуха (Lindqvist et al., 1987). Эксперименты и численные оценки Маруками (Murakami et al., 1992) показывают, что частицы диаметром 10 мкм оказывают некоторое влияние на распределение концентрации в чистых комнатах, в отличие от распределения очень маленьких частиц. Частицы диаметром 10 мкм имеют скорость осаждения в спокойном воздухе около 0,3 см/с (предполагается, что плотность равна 1 г/см³).

Продолжение см. в следующих номерах журнала.

Перевод с англ. Л. И. Баранова.

Научное редактирование выполнено

канд. техн. наук Е. Г. Малявиной,

тел. (095) 188-3607.

REHVA

REHVA – это Федерация европейских ассоциаций в области отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, объединяющая профессиональные общества инженеров почти из всех стран Европы. В начале шестидесятых годов двадцатого века идея сотрудничества между техническими ассоциациями в области отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха была чрезвычайно актуальна и нашла поддержку у ведущих профессионалов, которые встречались на международных конференциях. 27 сентября 1963 года представители ассоциаций девяти европейских стран встретились в Гааге (Нидерланды) по приглашению голландской ассоциации TVVL. Таким образом, 1963 год считается годом основания REHVA. НП «АВОК» стал членом REHVA в 1990 году и с тех пор представляет интересы российских специалистов в области отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха на ежегодных ассамблеях федерации. Сегодня в составе федерации 27 стран. За 39 лет работы REHVA удалось улучшить контакты между европейскими ассоциациями по отоплению, вентиляции, кондиционированию воздуха и со многими обществами, имеющими отношение к этой области: ASHRAE, IIR, CIB, Eurovent, Unichal и другими.

Обозначения, используемые в Руководстве

Ar – постоянная Архимеда cb – концентрация загрязняющих веществ в зоне дыхания (во вдыхаемом воздухе) (промили, мг/м3 и т. д.) ce – концентрация загрязняющих веществ в вытяжном воздухе (промили, мг/м3 и т. д.) ce () – установившаяся концентрация загрязняющих веществ в вытяжном воздухе (промили, мг/м3 и т. д.) (c ()) – установившаяся средняя концентрация загрязняющих веществ в помещении (промили, мг/м3 и т. д.) сoz – средняя концентрация загрязняющих веществ в зоне обслуживания (промили, мг/м3 и т. д.) cp – концентрация загрязняющих веществ в точке p (промили, мг/м3 и т. д.) cp () – установившаяся концентрация загрязняющих веществ в точке (промили, мг/м3 и т. д.) cs – концентрация загрязняющих веществ в приточном воздухе (промили, мг/м3 и т. д.) с* – относительная концентрация (с/ce) H – высота помещения (м) h0 – высота приточной щели (м) L – длина помещения (м) n – кратность воздухообмена (ч-1) qv – расход вентиляционного воздуха (м3/с, м3/ч) Re – число Рейнольдса S – интенсивность испускания (мг/с, см3/с) Sp – интенсивность источника в точке p (мг/с, см3/с) t – время (с, ч) Up – расход продувочного воздуха (м3/с) v – скорость (м/с) v0 – скорость приточного воздуха (м/с) V – объем (м3) x – координата и расстояние (м) y – координата (м) ea – эффективность воздухообмена (%) epa – показатель локального воздухообмена (%) ec – эффективность удаления загрязняющих веществ (CRE) (%) epc – показатель локального качества воздуха в точке р (%) eozc – показатель качества воздуха в зоне обслуживания (%) ebc – показатель локального качества воздуха в зоне дыхания (%) tn – номинальное постоянное время tn=V/qv (с, ч) tp – средний «возраст» воздуха в точке (с, ч) tr – время замены всего воздуха в помещении (с, ч) (t) – средний «возраст» воздуха в помещении (с, ч) ttc – время замены загрязняющих веществ (с, ч) qs – температура приточного воздуха (°С) qe – температура вытяжного воздуха (°С)