Проектирование охлаждающих балок для достижения теплового комфорта

Принцип работы

На рисунке показана активная охлаждающая балка. Охлажденный и осушенный первичный воздух (1) подается по воздуховодам от центральной приточной установки в распределительную камеру внутри балки, из которой он инжектируется (2) через набор сопел. Струи первичного воздуха увлекают за собой внутренний воздух (3) через встроенный теплообменный змеевик балки, где он рекондиционируется (4), затем смешивается с первичным воздухом, и эта смесь подается в помещение (5). Объем эжектируемого воздуха обычно в 2–5 раз превышает объем первичного воздуха, в зависимости от размера и типа используемых всасывающих сопел, поэтому интенсивность потока подаваемого в помещение воздуха в 3–6 раз превышает интенсивность потока первичного воздуха. Отношение потока эжектируемого воздуха к потоку первичного (поданного по воздуховодам) воздуха называется коэффициентом эжекции балки (КЭ).

Охлаждающая нагрузка по явной теплоте внутри балки обеспечивается охлажденной водой, температура подачи которой равна или превышает точку росы в помещении для предотвращения конденсации. Явная теплота, отбираемая змеевиком, обычно составляет 50–75 % требуемого отвода явной теплоты в помещении. В результате можно уменьшить расход первичного воздуха на охлаждение помещения.

Хотя расход первичного (в воздуховоде) воздуха при использовании охлаждающих балок значительно ниже, чем в полностью воздушных системах, расход эжектируемого воздуха всегда оказывается выше. Поскольку температура воды, поступающей в змеевик балки, поддерживается выше точки росы помещения, температура воздуха балки на выходе змеевика будет выше, чем температура первичного воздуха, используемого в полностью воздушных системах. Окончательная температура выходящей из балки смеси обычно на 2–3,3 °С выше, чем в полностью воздушных системах. Таким образом, расход воздуха, подаваемого в помещение, должен быть пропорционально выше (20–30 %). Этот повышенный расход часто увеличивает вероятность возникновения сквозняков, что может отрицательно сказаться на уровне теплового комфорта пользователей.

Применение активных охлаждающих балок

Проектирование для достижения теплового комфорта пользователей

Стандарт ASHRAE 55-2004 определяет рабочую зону как часть помещения, в которой обычно находятся пользователи. Она также описывается количественно как объем помещения, который расположен не ближе 1 м от любой наружной стены или окна и не ближе 0,3 м от любой внутренней стены и вертикально ограничен полом и преобладающим ростом пользователей помещения. Хотя   рост пользователей обычно берется равным 1,7 м, стандарт позволяет проектировщикам задавать эту высоту исходя из особенностей использования помещения.

Например, если люди в помещении находятся преимущественно в сидячем положении, в качестве верхней границы рабочей зоны можно установить 1,1 м. В главе 20

«ASHRAE Handbook – HVAC Applications» приводится прогноз количества пользователей, которые могут выразить неудовлетворенность тепловым комфортом при различных комбинациях скоростей воздушного потока и температур. Активные охлаждающие балки обычно монтируются над головой, поэтому область шеи является наиболее критической. Системы комфортного охлаждения должны стремиться минимизировать уровень неудовлетворенности и при любых обстоятельствах ограничивать количество пользователей, недовольных локальными условиями, – 20 % или менее.

Распределение внутреннего воздуха

Активные охлаждающие балки распределяют воздух внутри помещения подобно линейным щелевым диффузорам. Соответственно, отношения конечных скоростей воздушного потока и теплового рассеивания приточного воздуха, применяющиеся к линейным щелевым диффузорам, также применяются и к активным охлаждающим балкам. После подачи воздуха в помещение разница скоростей и температур между приточной смесью и внутренним воздухом начинает уменьшаться из-за эжекции внутреннего воздуха. Линейные щелевые диффузоры характеризуются довольно большой длиной воздушной струи, и разницы в скорости и температуре уменьшаются пропорционально длине пути воздуха в пространстве.

Производители указывают расстояние, на которое подается воздух, и это дает возможность проектировщикам подсчитать, какой путь пройдет воздушная струя до достижения заданной конечной скорости. Большинство производителей предоставляют такие данные, полученные с использованием изотермического воздуха, для конечных скоростей 0,75; 0,5 и 0,25 м/с. Эти данные можно использовать для составления карт воздушных потоков и прогнозирования локальной скорости потока в точке его входа в рабочую зону. Поскольку разница между внутренним и приточным воздухом уменьшается с той же скоростью, его температуру в точке входа в рабочую зону можно рассчитать исходя из начальной разницы (DT₀) между температурой потока воздуха на выходе из балки и комнатной температурой. Производители, как правило, предлагают программное обеспечение, которое можно использовать для расчета локальных скоростей и температур в критических точках, таких как точка входа воздушного потока в рабочую зону.

На рисунке показано помещение, обслуживающееся двумя активными охлаждающими балками с двухсторонними схемами подачи воздуха, обеспечивающими одинаковые расходы первичного (Q_p) и эжектированного (Q_s) воздуха. Расход эжектированного воздуха является функцией коэффициента эжекции выбранных сопел и рассчитывается умножением расхода первичного воздуха на коэффициент эжекции. Предположим, балка обладает коэффициентом эжекции 2,5 и ее производительность составляет 170 м³/ч первичного воздуха при температуре +13 °С, а внутренняя температура в помещении равна +24 °С. Кроме того, предположим, что охлажденная вода поступает в балку при температуре +14 °С и выходит при температуре +16 °С. Расход воздуха в помещение будет в 3,5 раз выше, чем расход первичного воздуха, или 595 м³/ч. Температура воздуха (Т_0С), поступающего со встроенного охлаждающего змеевика балки, оценивается на 0,6 °С выше, чем средняя температура охлажденной воды (среднее между температурой поступающей и выходящей охлажденной воды). На самом деле температура выходящего воздуха будет, как минимум, на 1–2 °С выше, чем средняя температура воды в змеевике. Эта информация, а также КЭ балки, принимаются по данным производителя. После определения температуры первичного воздуха (Т_РА) можно рассчитать температуру (Т_Z) на выходе из балки, а также начальную разницу между температурой подачи воздуха и внутренней температурой (DТ_Z) при помощи уравнений 1 и 2:

T_Z = [T_PA + (T_0C КЭ)] / (КЭ + 1), (1)

DТ_Z = T_КОМН. – T_Z. (2)

Для расчета начальной скорости (V₀) воздушного потока на выходе из балки следует разделить воздушный поток из каждого отверстия (для двухсторонних балок это будет 0,5Q_S) на эффективную площадь сечения отверстия. Если эффективная площадь сечения неизвестна, для целей данного расчета V0 можно принять равной 2,3 м/с. Локальная разница температур (DT_X) между внутренним и приточным воздухом в любой точке на пути воздушного потока можно приблизительно рассчитать при помощи уравнения 3:

DT_X = 0,8ΔT_Z (V_X / V₀). (3)

Для балки с начальной скоростью воздушного потока равной 2,3 м/с и начальной разностью между температурой внутреннего и приточного воздуха в 9,1 °С локальная разность температуры в точке, соответствующей конечной скорости 0,25 м/с, составит около 0,9 °С. Это означает, что менее 20 % пользователей будут неудовлетворены локальной скоростью и температурой воздушного потока.

Так как зона вдоль наружных стен не считается частью рабочей зоны, локальные скорости и температуры обычно не влияют на тепловой комфорт пользователей. Тем не менее, следует принять меры, чтобы они были не настолько велики, чтобы влиять на процессы (например, вытяжные зонты), проходящие вдоль наружной стены, и обеспечивали достаточный обогрев, где это необходимо. В главе 56 «ASHRAE Handbook – HVAC Applications» дается рекомендация: выбирать и размещать приточные устройства, используемые для обогрева зоны периметра помещения, таким образом, чтобы при изотермической подаче воздуха со скоростью 0,75 м/с поток проходил, как минимум, половину высоты наружной поверхности или достигал уровня 1,5 м над высотой пола (выбирается большая величина).

Вероятность возникновения сквозняков наиболее велика непосредственно под местом столкновения двух противоположно направленных воздушных потоков. На рисунке показана такая точка и определяется скорость столкновения V_C. Если скорость сталкивающихся воздушных потоков достаточно велика (более 0,5 м/с), часть скорости и дифференциала температуры воздушных потоков рассеивается при столкновении, и скорость (V_H1) в точке, где поток попадает в рабочую зону, соответственно, снижается.

В случаях, когда скорость столкновения равна 0,5 м/с, скорость входа в рабочую зону будет равна или ниже 0,25 м/с, если расстояние между потолком и верхней границей выделенной рабочей зоны (Н1) превышает 1,1 м.

В случаях, когда Н1 превышает 1,1 м, активные охлаждающие балки следует выбирать и размещать так, чтобы путь воздушного потока до достижения конечной скорости 0,5 м/с не превышал половину расстояния до соседней балки с противоположно направленным потоком.

В случаях, когда скорость столкновения составляет 0,75 м/с, V_Н1 будет равна 0,25 м/с или ниже, если Н1 превышает 1,8 м. Активные балки, для которых Н1 равно или превышает 1,8 м, можно выбирать так, чтобы путь воздушного потока до достижения конечной скорости 0,75 м/с не превышал половину расстояния до балки с противоположно направленным потоком.

Проектирование с учетом влажности воздуха

Охлаждение по явной теплоте посредством охлаждающих балок дает проектировщику возможность существенно уменьшить расход первичного воздуха по сравнению с полностью воздушными системами. Поскольку от 50 до 75 % явной теплоты обычно ассимилируется охлаждающим змеевиком, в системе возможно пропорциональное снижение расхода первичного воздуха. Однако здесь следует проявлять осторожность, так как балка также должна обеспечивать достаточный воздухообмен и поддерживать приемлемый уровень влажности в помещении. Расход первичного воздуха в помещении должен удовлетворять или превышать  требования к вентиляции помещения согласно стандарту ASHRAE 62.1-2007 (или иные применимые вентиляционные нормы); компенсировать прирост по скрытому теплу для поддержания требуемого уровня влажности в помещении согласно рекомендациям стандарта ASHRAE 55-2004; (3) обеспечивать достаточное охлаждение по явной теплоте вдобавок к отводу явной теплоты охлаждающим змеевиком.

В большинстве случаев расход первичного воздуха, необходимый для компенсации скрытых тепловыделений, превысит необходимый расход приточного воздуха, требуемый для ассимиляции явных тепловыделений. Необходимый расход воздуха в помещении можно определить по приросту скрытой теплоты и расчетной влажности (W_КОМН.). В зонах по периметру помещения расход первичного воздуха определяется нагрузкой по явной теплоте (лаборатории могут оказаться исключением из-за повышенных требований к воздухообмену). Использование балок, холодопроизводительность водной части которых компенсирует более 65 % холодильной нагрузки в помещении, может оказаться непрактичным из-за архитектурных особенностей, ограничивающих количество и длину установленных балок в помещении. Цель проектирования заключается в снижении расхода первичного воздуха до уровня, максимально приближенного к требуемому воздухообмену.

Проектирование систем с охлаждающими балками на поддержание уровня влажности в помещении ниже необходимого может привести к значительному увеличению расхода первичного воздуха. При использовании охлаждающих балок точка росы в помещении не должна превышать температуру подачи охлажденной воды, поэтому проектирование систем с точкой росы около +14 °С не рекомендуется.

Большинство традиционных систем ОВК охлаждают воздух до точки росы около +11 °С, что соответствует влагосодержанию (W_{ПЕРВИЧН.}) 3,8 г. Интенсивность воздушного потока (Q_{ПЕРВИЧН.}) для компенсации прироста скрытой теплоты (q_{СКРЫТОЕ}) можно рассчитать при помощи уравнения 4:

w_{ПЕРВИЧН.} = q_{СКРЫТОЕ} / [0,68 • (W_КОМН. - W_{ПЕРВИЧН.})]. (4)

Применяя это уравнение для влагосодержания воздуха 3,8 г, получим необходимый расход первичного воздуха для помещения с общим приростом скрытого тепла 117 Вт для различных уровней влагосодержания.

В этом случае, если проектировать систему на температуру +24 °С и относительную влажность 50 %, расход первичного воздуха получится на 58 % больше, чем необходимый для поддержания относительной влажности в помещении на уровне 53 %. Поскольку относительная влажность воздуха 53 % не выходит за пределы рекомендаций стандарта 55-2004 и дает температуру точки росы в помещении +14 °С, при проектировании ее можно использовать в качестве расчетной.

Охлаждающие балки часто используются в комбинации с центральным оборудованием ОВК, включая роторные рекуператоры. Эти технологии позволяют еще более понизить температуру точки росы в помещении. Использование такого оборудования рекомендуется в ситуациях, когда требуется температура точки росы ниже +13 °С.

Заключение

Активные охлаждающие балки способны ассимилировать большое количество явной теплоты при существенно меньшем расходе первичного воздуха. Однако при проектировании таких систем следует не забывать о тепловом комфорте пользователей и осушении помещения. Поскольку основная цель комфортного охлаждения – это обеспечение высокого уровня теплового комфорта, балки следует подбирать и размещать в соответствии с этой целью.

Хотя возможность уменьшить расход первичного воздуха является естественной особенностью охлаждающих балок, такое уменьшение следует ограничить уровнем, достаточным для эффективного контроля влажности воздуха в помещении. Полностью воздушные системы почти всегда обеспечивают достаточный приток сухого воздуха для удовлетворения нагрузки по явной теплоте, поэтому инженеры часто не учитывают нагрузки по скрытой теплоте. При проектировании систем с охлаждающими балками необходимо учесть индивидуальные скрытые нагрузки помещения.

При расчете, выборе и размещении активных охлаждающих балок следует придерживаться нижеприведенных правил:

- Охлаждающие балки не следует использовать в помещениях с низкими потолками, где расстояние между верхней границей рабочей зоны и потолком составляет менее 0,9 м.

- При использовании в вестибюлях, атриумах и иных помещениях с высоким и/или неконтролируемым уровнем инфильтрации необходимо принять специальные меры для предотвращения образования конденсата.

- Для поддержания высокого уровня теплового комфорта (скорость воздушного потока в рабочей зоне не превышает 0,25 м/с) активные охлаждающие балки должны монтироваться на высоте не менее 1,1 м над рабочей зоной, выбираться и размещаться так, чтобы путь потока до достижения конечной скорости (0,5 м/с) не превышал половину расстояния между двумя соседними балками с противоположно направленными потоками. Активные балки, расположенные на высоте 2 м или более над рабочей зоной, могут размещаться таким образом, чтобы путь потока до достижения конечной скорости (0,75 м/с) достигал половину расстояния между двумя соседними балками с противоположно направленными потоками.

- При использовании сопел меньшего размера увеличивается коэффициент эжекции и производительность по явному охлаждению на м³/ч первичного воздуха. Однако использование меньших сопел обычно приводит к увеличению уровня шума и входного давления для заданного расхода первичного воздуха, что требует установки дополнительных балок.

- Если при проектировании принимается более низкий уровень влажности, чем необходимо, расход первичного воздуха может оказаться значительно выше.

Перепечатано с сокращениями из журнала «ASHRAE».

Научное редактирование выполнено

вице-президентом НП «АВОК» М. Г. Тарабановым.

* Paul Appleby Потолочное панельное охлаждение помещений» («АВОК», 2001, № 3); «Системы лучистого отопления и охлаждения («АВОК», 2003, № 7); Ю. Я. Кувшинов «Панельно-лучистое охлаждение помещений» («АВОК», 2007, № 5)