Распределение воздуха в больших помещениях

D. Int-Hout, член ASHRAE, otvet@abok.ru

L. Kloostra, член ASHRAE

В процессе выбора схемных решений по организации воздухообмена в больших помещениях обычно требуется составление схемы распределения воздушных потоков. Здесь нельзя применять стандартные решения для коммерческих офисов, основанные на сопоставлении коэффициента воздушной диффузии и дальнобойности воздушной струи с планировкой помещения. Вместо этого диффузоры выбираются на основании результатов анализа схемы распределения воздушных потоков.

Основные принципы

При анализе схемы распределения воздушных потоков в любом помещении необходимо придерживаться нескольких основных принципов. Первое основное правило – учет конвекции: горячий воздух поднимается, а холодный опускается. Второе правило заключается в том, что воздух в свободной струе, в отличие от воздуха в струе, ограниченной поверхностями, ведет себя практически независимо от схемы подачи воздушного потока из воздухораспределителя.

Температурный эффект вертикальных струй

В целом на воздушные потоки со скоростью выше 0,76 м/с не влияет разность температур воздушного потока и окружающего воздуха. Простое правило для более медленных струй заключается в том, что дальнобойность струи с конечной скоростью до 0,4 м/с изменяется приблизительно на 2% при изменении разности температур воздушного потока и окружающего воздуха на 1 °C.

Струя изотермического воздуха затухает на более коротком расстоянии, чем нисходящая струя холодного воздуха. Максимальная дальнобойность вертикальной нисходящей струи горячего воздуха меньше, чем у струи изотермического воздуха. Этот эффект показан в таблице на рис. 1., которую можно использовать для следующих целей:

1. Если известны скорость воздушного потока и расход воздуха, таблицу можно использовать для оценки дальнобойности вертикальных струй с конечной скоростью до 0,25 м/с (T50) при разных значениях разности температур струи и окружающего воздуха. Например, для изотермической струи 0,47 м³/с с начальной скоростью 5 м/с расстояние от источника до точки, где скорость воздушного потока составит 0,25 м/с, приблизительно равно 9 м.

2. Таблицу можно также использовать для определения дальнобойности неизотермических струй. Для заданного объема воздуха и скорости воздушного потока дальнобойность струи теплого воздуха при разности температур в 11 °C будет такой же, как и дальнобойность струи холодного воздуха при этой же разности температур.

3. Если известна дальнобойность изотермической струи воздуха, правую часть таблицы можно использовать для оценки влияния разности температур при конечной скорости 0,4 м/с. Например, если у воздухораспределительной решетки по данным каталога дальнобойность струи составляет 16 м до конечной скорости 0,25 м/с и струя на 11 °C холоднее окружающего воздуха, она пройдет приблизительно 23 м. И она пройдет всего 6,5 м, если будет на 11 °C теплее окружающего воздуха.

4. Рис. 1 предполагает, что коэффициент пропорциональности струи (отношение ширины к глубине) близок к 1. Вытянутые щелевые отверстия могут иметь меньшую дальнобойность, чем показано на рис. 1.

Рисунок 1. Дальнобойность вертикальной струи, эффект от разности температур воздушного потока и окружающего воздуха

Горизонтальные струи

С горизонтальными струями ситуация сложнее, так как, помимо разницы температур воздушного потока и окружающего воздуха, на них могут оказывать влияние близлежащие поверхности и угол подачи решетки или направляющих лопаток. В большинстве случаев из воздушных решеток поступает холодный воздух. Основная проблема в таких случаях – это попадание холодного воздуха в рабочую зону и, как следствие, сквозняки. Ниже приведены несколько примеров, основанных на опытных данных, для лопаток аэродинамического профиля в настенной воздухораспределительной решетке при разнице температур воздушного потока и окружающей среды 11 °C. Эти графики показывают данные для воздушных потоков с конечной скоростью 0,25 м/с. Затемненная область в крайней правой части каждого из них соответствует значению критерия уровня шума внутри помещения NC^*, равному или выше 30.

Рис. 2 можно использовать для определения дальнобойности струи воздухораспределительной решетки с углом подачи в 20° вверх от горизонтали, расположенной чуть ниже потолка. За исходные данные принимается скорость воздушного потока. Из-за близости потолка имеет место эффект Коанда (эффект флотации), который увеличивает дальнобойность струи в сравнении с ситуацией, когда потолок отсутствует.

Рисунок 2. Дальнобойность струи для решетки, расположенной на 0,6–1,3 м ниже потолка. Вертикальное отклонение вверх 20°, рассеивание 0°

При такой же воздухораспределительной решетке струя, не настилающаяся на потолок, проходит значительно меньшее расстояние. Без прилегающего потолка площадь поверхности струи увеличивается, поэтому она захватывает больше воздуха и быстрее теряет скорость (рис. 3).

Рисунок 3. Дальнобойность струи для решетки без влияния потолка. Вертикальное отклонение вверх 20°, рассеивание 0°

Воздухораспределительная решетка расположена вблизи потолка и установлена на подачу воздуха без вертикального отклонения. В данном случае мы получаем ту же дальнобойность струи, что и в первом примере (рис. 4).

Рисунок 4. Дальнобойность струи для решетки, расположенной на 0,3 м ниже потолка. Отклонение 0°, рассеивание 0°

Если воздухораспределительная решетка расположена на значительном расстоянии от потолка и без угла отклонения подачи воздуха из решетки, дальнобойность струи становится немного меньшей. Данный сценарий также применим для открытых воздуховодов без воздухораспределительных решеток (рис. 5).

Рисунок 5. Дальнобойность струи для решетки без влияния потолка. Отклонение 0°, рассеивание 0°

Для уменьшения дальнобойности можно использовать отклонение подачи воздуха из решетки. На рис. 6 показана та же воздухораспределительная решетка, расположенная вблизи потолка, с вертикальными лопатками, установленными на угол отклонения в 45°. Горизонтальные лопатки отклоняют струю на 20° вверх.

Если потолок расположен далеко, при использовании только рассеивания дальнобойность струи значительно снижается, как показано на рис. 7.

Рисунок 6. Дальнобойность струи для решетки, расположенной на 0,45 м ниже потолка. Вертикальное отклонение 20°, рассеивание 45°

Рисунок 7. Дальнобойность струи для решетки, расположенной на 0,6–1,2 м ниже потолка. Вертикальное отклонение 0°, рассеивание 45°

В большинстве случаев задача проектирования – охватить все зоны помещения без создания сквозняков. Примеры показывают, что регулировка воздухораспределительной решетки и ее расположение оказывают существенное влияние на полученную схему распределения воздушных потоков.

В таблице дается обобщение примеров из рис. 2–7.

Распределение воздуха сверху

Воздухораспределение зависит от расположения воздухоподающего источника. Диффузоры, расположенные в открытых зонах, могут создавать горизонтальные, вертикальные или смешанные схемы воздушных потоков.

Схемы воздушных потоков потолочных диффузоров отличаются от настенных диффузоров. За исключением щелевых диффузоров, в потолочных диффузорах обычно используется одна из следующих схем: круглый или перекрестный поток, основные отличия между которыми показаны на рис. 8.

Рисунок 8. Схемы воздушных потоков при большом и малом расходах

Если сравнить вид потоков в плане из круглого и четырехстороннего потолочных диффузоров, то при одинаковом расходе у воздушного потока из круглого диффузора будет меньшая дальнобойность, чем у четырехстороннего. В круговой схеме воздухораспределения скорость воздушного потока будет равна во всех направлениях, а при четырехсторонней схеме в потоке присутствуют четыре струи с более высокой скоростью.

Вертикальные проекции показывают, что приточная струя из круглого диффузора в конце своей траектории стремится вернуться к диффузору за счет повторной эжекции первичным воздухом. Этот процесс поддерживает холодный воздух вблизи потолка, тем самым обеспечивая равномерное распределение температур в помещении. С другой стороны, проекция струи четырехстороннего диффузора продолжается после достижения конечной скорости как воздушный поток от воздухоподающих отверстий в боковой стене с отклонением в 0°.

Во время охлаждения воздух часто опускается к полу. Около потолка может образоваться зона стратификации, которая способна создать неравномерное распределение температур ниже ее уровня. Размер зоны стратификации зависит от первичного воздуха и наличия источников тепловыделений в помещении. При наличии постоянного источника тепла система с переменным расходом позволит образоваться большей зоне стратификации. Такой вид распределительной системы позволяет получать высокий уровень стратификации, даже если воздух подается с потолка. Вытяжные устройства можно расположить между воздухораспределителями.

В отопительный период теплый приточный воздух рассеивается и поднимается к потолку. Температура воздуха на уровне пола снижается, а зона стратификации может образовываться на определенном расстоянии от пола. Расположение источников тепла около пола или подача приточного воздуха вблизи пола позволяет перенести зону стратификации ближе к полу. Этому способствуют вытяжные устройства, расположенные в зоне стратификации.

Некоторые круглые диффузоры позволяют получить хорошую горизонтальную схему воздушного потока при их расположении под потолком. В таких конструкциях струя направляется вверх к потолку. Этот процесс обусловлен наличием зоны пониженного давления над диффузором. Некоторые из этих диффузоров способны регулировать схему воздушных потоков таким образом, что воздух может опускаться по различным вертикальным схемам.

Четырехсторонние диффузоры, установленные по горизонтальной схеме, не могут заставить воздушный поток подниматься, так как давление воздуха между струями равно давлению воздуха в помещении. Поэтому над диффузорами не создается зона пониженного давления.

Правильно спроектированные и установленные четырехсторонние диффузоры позволяют добиться практически равномерного распределения скоростей от центра к наружным краям этих струй. В результате получаем хорошее распределение с опусканием воздушного потока, пропорциональным расстоянию от диффузора до потолка.

Стратификация воздуха в помещении с высокими потолками

Для стратификации воздушного пространства помещения диффузоры должны быть расположены так, чтобы струи воздуха от них не нарушали требуемое разделение слоев. Достичь этого в больших помещениях довольно трудно, так как в них предпочтительна такая установка воздуховодов, при которой они скрыты от глаз. Часто используются воздухораспределительные решетки или щели в боковых стенах на высоте около 4,5 м над полом, где воздушные струи подаются в пространство над рабочей зоной. Во избежание появления сквозняков в рабочей зоне необходимо обратить особое внимание на ранее описанные параметры струи, подаваемой из воздухораспределительной решетки. Данная методика очень редко осуществляется на практике для отопления, так как теплый воздух поднимается и не может попасть в используемую зону. С другой стороны, холодный воздух обычно достигает пола, независимо от того, откуда он подается.

На рис. 9 показано отопление и охлаждение от рассеянной горизонтальной подачи струи воздуха на уровне пола. Метод сравнивается с ранее описанными типами источников подачи воздуха и их расположением с учетом нагрузок по отоплению и охлаждению. Сегодня системы вытеснения используют большие объемы воздуха с малыми разницами температур и малыми скоростями подачи. Такие системы можно использовать под креслами в театрах, по периметру стен для создания воздушного кольца вокруг рабочей зоны, занятой людьми, или в качестве внутренних нагрузок, для создания восходящих воздушных потоков, идущих к потолочным вытяжным отверстиям. Следует помнить, что температуры и скорости воздушных потоков в рабочей зоне будут относительно малыми и равномерными.

Рисунок 2. Отопление и охлаждение от рассеянной горизонтальной подачи струи воздуха на уровне пола (горизонтальная проекция)

Эта система распределения широко применяется в Европе и повсеместно продвигается из-за возможности экономии энергии. Она может быть предпочтительным вариантом для некоторых больших помещений, но на практике применялась редко, преимущественно в театрах.

Распространение горизонтальной подачи воздуха на уровне пола позволяет добиваться существенной стратификации на более высоких уровнях во время охлаждения, одновременно поддерживая равномерные температуры в рабочей зоне. Хотя высокие скорости воздушных потоков в рабочей зоне могут предотвратить использование такого типа распределения при комфортном охлаждении, следует рассмотреть возможность его использования при высоких внутренних нагрузках или в ситуациях, когда комфорт пользователей не является решающим критерием.

Вытесняющая вентиляция – распределение воздуха на уровне пола с малыми скоростями воздушных потоков и малой разностью температур – использует естественные конвекционные потоки внутри помещения для подъема воздуха и создания нейтральной зоны над уровнем стратификации.

Применение вытесняющей вентиляции ограничено при высоких нагрузках на системы отопления или охлаждения. Диапазон температур приточного воздуха и скоростей вытяжки воздуха ограничен во избежание дискомфорта, так как струя проходит через рабочую зону. Для преодоления этого ограничения при проектировании европейских офисов часто используются системы охлаждающих потолков или теплых полов. Охлаждающие потолки редко используется в больших открытых помещениях из-за расстояния до пользователей и ограничения минимальной температуры внутренних поверхностей ограждающих конструкций для предотвращения конденсации.

Снижение уровня шума воздухораспределительной системы

Шум является менее критичным фактором в больших помещениях, чем в офисах, где источники шума расположены очень близко к пользователям. Конечно, существуют исключения, такие как музеи, где шум от систем кондиционирования воздуха нежелателен. Однако библиотеки, хотя традиционно и считаются очень тихими, могут выиграть от постоянного фонового шума, который обеспечивает некоторый уровень приватности во время разговоров, тем самым повышая комфортность обстановки. В спортивных сооружениях шум от систем кондиционирования воздуха, пожалуй, вызывает наименьшую озабоченность.

Во многих случаях специалист по акустике запросит данные по октавным полосам для проведения подробного анализа при проектировании лекционных залов, концертных залов, театров и т.д. Данные по октавным полосам для большинства воздухораспределительных решеток недоступны, но приблизительные цифры можно получить с помощью следующего метода анализа:

1. Звуковая мощность в 5-й октавной полосе:

P_{1000 Гц} = NC + 10 дБ.

2. Звуковая мощность в 4-й октавной полосе:

P_{500 Гц} = P_{1000 Гц} + 3 дБ.

3. Звуковая мощность в 6-й октавной полосе:

P_{2000 Гц} = P_{1000 Гц} – 5 дБ.

NC представляет собой удобный инструмент, широко применяемый в отрасли для получения однозначных критериев воздушных доводчиков и диффузоров. Если принимаются обоснованные предположения по затуханию шумов, (например, стандарт ARI 885), критерии NC являются отличным способом определения пригодности таких устройств для заданного помещения. Для воздушных доводчиков NC обычно определяется в нижних частотах, и в результате значение NC будет полезно при анализе шумов в помещении только в нижних частотах.

Пиковые шумы диффузоров, с другой стороны, обычно проявляются в средних частотах, и значения NC обычно находятся в речевом диапазоне. Таким образом, значения NC диффузоров и доводчиков нельзя суммировать. В больших помещениях шум доводчиков систем с переменным расходом редко создает проблемы, но в таких помещениях часто используются очень мощные установки, которые вырабатывают на удивление высокий уровень шума. Необходимую информацию можно получить из каталогов производителей (или программного обеспечения).

Для определения звукового эффекта в помещении стандарт ARI 885 рекомендует использовать уравнение Шульца. К сожалению, это уравнение предполагает частичное поглощение звука потолочной плиткой, мебелью или иными поглощающими элементами. В больших помещениях они часто отсутствуют, поэтому уравнение Шульца не рекомендуется для больших помещений.

И наконец, путь возврата воздуха часто не учитывается как источник шума в помещении. Обратно всегда выходит практически столько же воздуха, сколько подается в помещение, но обычно через меньшее количество устройств и по меньшей длине воздуховодов.

Выводы

Как и при проектировании любой системы ОВК, здравый смысл стоит на первом месте. Распределение воздуха в больших помещениях можно свести к нескольким простым аксиомам:

• Холодный воздух опускается, горячий воздух поднимается. Дальнобойность струи с конечной скоростью до 0,4 м/с изменяется приблизительно на 2% при изменении разности температур воздушного потока и окружающего воздуха на 1 °C.
• Используйте стратификацию для предотвращения кондиционирования неиспользуемых зон.
• Вытяжной воздух является источником шума, как и приточный.
• Вытяжной воздух оказывает незначительное влияние на схемы распределения воздушных потоков.

Литература

1. Dan Int-Hout, Leon Kloostra. Air distribution for large spaces. ASHRAE Journal. – 1999. – April.
2. Шаффер М. Защита от шума и вибраций в системах ОВК. Практическое руководство. – М.: АВОК-ПРЕСС, 2009.
3. ARI STANDARD 885-1998. Procedure for estimating occupied space sound levels in the application of air terminals and air outlets (with addendum).

Перепечатано с сокращениями из журнала «ASHRAE».

Научное редактирование выполнено вице-президентом НП «АВОК» А.Н. Колубковым

* NC (noise criteria) – система оценки шумности замкнутого пространства в помещении путем сравнения фактического или расчетного спектра уровня звукового давления с рядом установленных спектров октавных полос.