За и против распределения воздуха от пола

Bernando Galosi

Сегодня есть попытки расширить применение систем распределения воздуха от пола. Рекомендуется заменять ими системы распределения сверху не только в компьютерных и других аналогичных центрах, но и в административных помещениях. В поддержку таких соображений приводятся преимущества перемещения воздуха в направлении снизу вверх, а именно:

• направление движения воздуха в помещении совпадает с направлением конвективных потоков от людей и тепловыделяющего оборудования;
• концентрация в верхней зоне загрязняющих веществ (углекислый газ, дымовые газы, запахи, органические вещества и пр.);
• большая устойчивость воздушных потоков;
• повышение температуры воздуха в верхней зоне примерно на 2°С по сравнению с расчетной температурой в обслуживаемой зоне.

Для более полного сравнения двух способов распределения воздуха (сверху или от пола) в системе кондиционирования воздуха административного здания, на наш взгляд, следовало бы обратить внимание также на следующие вопросы:

• величину воздухообмена;
• размеры установок кондиционирования;
• скорость движения воздуха в помещении;
• иные факторы, оказывающие влияние на комфорт;
• типы существующих установок;
• размеры холодильных агрегатов;
• гигиеничность системы;
• закупочная стоимость и расходы по техническому обслуживанию.

Для сравнения указанных свойств возьмем в качестве примера административное здание, имеющие характеристики, приведенные в таблице.

Величина воздухообмена

Подача от пола

Для помещений, где люди находятся более 30 минут (административные помещения, безусловно, относятся к данной категории), рекомендуется разность температур ("dt") воздуха в обслуживаемой зоне и приточного воздуха не более 6°С.

Рекомендуется также, чтобы скорость выпуска воздуха не превышала 1 м/с. Больший показатель "dt" допустим при условии, что между воздухораспределителями и людьми было расстояние не менее 1,5 м.

В качестве воздухораспределителя используются установленные в полу круглые диффузоры с радиальными щелями, формирующие закрученную струю (рис. 1). Для нашего случая примем "dt"=6°С при скорости воздуха на выходе 1 м/с.

При распределении от пола удаление воздуха из верхней зоны помещения может осуществляться через решетки в подвесном потолке или в стене вблизи потолка. Мы полагаем, что последний вариант применяется чаще, поскольку (особенно в зданиях современной постройки) редко встречаются помещения такой высоты, которые позволяли бы надстраивать полы (на 300-450 мм) и опускать потолки (на 250-350 мм). Ведь полезная высота помещения уменьшалась бы, таким образом, примерно на 1 м.

При подаче воздуха от пола и удалении вверху возможно образование теплой воздушной "подушки" непосредственно под потолком. Температура такой "подушки", однако, не должна превышать более чем на 2°С расчетную температуру в обслуживаемой зоне - тогда люди в помещении не будут испытывать дискомфорт от идущего сверху излучения.

Если система обеспечивает в помещении расчетные условия (24°С) и повышение температуры в его верней зоне, из которой воздух удаляется, выглядит так, как показано на рис. 2, то можно предположить, что примерно 18 % явных тепловыделений могут не учитываться при расчете необходимого воздухообмена. Для нашего случая объем приточного воздуха определяется из расчета явных тепловыделений 900 Вт.

Следующее уравнение, если принять "dt"=6°С, дает расход приточного воздуха:

[900/1,2x6]=125 л/с
(450 м³/ч). (1)

Если для каждого воздухораспределителя принять средний расход 11 л/с, нам потребуются примерно двенадцать единиц, то есть чуть меньше, чем один диффузор на каждый квадратный метр площади помещения.

В силу того, что в комнатах расставлены письменные столы и иная конторская мебель, разместить их достаточно равномерно вряд ли удастся.

Подача сверху

Подача сверху также позволяет организовать удаление в верхней части (через подвесной потолок, например). Главное, чтобы использовались воздухораспределители, формирующие быстро затухающие струи. В этом случае уменьшение расчетных явных тепловыделений, обусловленное, в основном, системой освещения, можно оценивать как равное или большее по сравнению с тем, что получается при подаче воздуха снизу и удалении через осветительную аппаратуру.

Тем не менее, при распределении сверху имеется еще один фактор, способствующий дальнейшему уменьшению расчетных явных тепловыделений в помещении, - это тепловая инерция пола.

Солнечное излучение, попадающее в помещение через остекление, и излучение осветительной аппаратуры (рис. 3) частично поглощаются и накапливаются на полу. Накопленное тепло возвращается затем в помещение с опозданием в несколько часов (рис. 4). В конечном счете, при подаче сверху явные тепловыделения от солнечной радиации в часы максимальной нагрузки сокращаются на 25-30 %.

При распределении от пола такого накопления не происходит, как не происходит в часы пиковой нагрузки сокращения нагрузки от солнечной радиации.

Кроме того, при распределении воздуха сверху допустимая разность температур "dt" 12°С или выше. При одном таком показателе "dt" для той же явной нагрузки сокращается наполовину или даже больше объемы воздуха, требующиеся для ассимиляции явного тепла.

Скорость движения воздуха в помещении

Среди различных факторов, влияющих на создание комфортных условий, следует отметить среднюю скорость, с которой воздух движется в помещении. Теперь уже достоверно известно (и считается приемлемым), что для людей, занятых сидячей работой, скорость движения воздуха в помещении должна составлять около 0,15 м/с и быть не ниже 0,10 м/с. Соблюдение этих значений при прочих равных условиях необходимо для обеспечения наилучшего теплообмена между телом человека и средой помещения и повышает комфорт в летний период.

В рассматриваемом примере, когда площадь комнаты составляет 15 м², чтобы получить среднюю скорость 0,15 м/с, объем движущегося воздуха (первичного и вторичного) должен составлять значение Q, определяемое следующим образом:

Q=[1 000x5x0,15]=2 250 л/с
(8 100 м³/ч). (2)

В силу принципа сохранения количества движения, если обозначить М₁ и V₁ объем и скорость приточного воздуха, то следующим уравнением мы определим, до какого уровня должна уменьшиться скорость воздуха (V₂), чтобы в помещении передвигалась воздушная масса М₃, которая в нашем примере равна 2 250 л/с (значение, полученное уравнением (2), равное сумме масс первичного и вторичного воздуха):

M₁хV₁=M₃xV₂. (3)

Подставив известные значения, мы будем иметь:

125х1=2 250хV₂,

откуда получаем:

V₂=0,05 м/с,

что значительно ниже установленного минимума.

Если при объеме поступающего первичного воздуха (М₁=125 л/с) мы хотим, чтобы воздушная масса в помещении М₃ (2 250 л/с) двигалась со скоростью 0,15 м/с, то скорость первичного воздуха на выходе из воздухораспределителя должна быть не ниже 2,7 м/с - а такая скорость слишком высока для данного типа воздухораспределителей.

На практике сокращенная индукция первичного воздуха, обусловленная его низкой скоростью, дает основание подозревать, что приточный воздух с трудом будет подниматься к вытяжным решеткам, образуя идеальные "столбы", суженные книзу, которые никак не перемешивают окружающий воздух и формируют участки застойного воздуха.

Другие условия комфорта

В летний период среди прочих параметров комфорта особое значение приобретает вертикальный температурный "градиент". При распределении от пола температура растет снизу вверх, а при поступлении сверху образуются нисходящий поток воздуха и температурный градиент, который на уровне ног создает температуру слегка выше, чем на уровне тела. Другими словами, при подаче сверху мы имеем "ноги в тепле, а голову в холоде", что повышает комфорт.

Распределение от пола создает противоположный тепловой градиент, и с этой точки зрения комфорт не повышается.

Виды систем

Приточные установки, используемые для распределения сверху, могут также применяться в системах распределения от пола. В любом случае, при таком распределении для того, чтобы ограничить "dt" воздуха помещения и приточного воздуха, чаще всего применяется калорифер второго подогрева. Гораздо реже (можно сказать, чрезвычайно редко) используется система с рециркуляцией воздуха.

Система со вторым подогревом

Чаще всего - в силу простоты конструкции - используется калорифер второго подогрева, расположенной после блока охлаждения (рис. 5).

В рассматриваемом примере при желании обеспечить температуру 24°С с 50% относительной влажностью, на основании соотношения между явным теплом и общей нагрузкой помещения, смесь наружного воздуха и воздуха рециркуляции должна охлаждаться примерно до 13°С с удельной влажностью 9 гр/кг (точка С на рис. 6). В течение всего периода, когда система работает на охлаждение, точка С, которая представляет воздух после охладителя, не изменяется.

Обычно скрытая нагрузка остается постоянной, а расход воздуха в л/с (450 м³/ч), определяемый уравнением (1), будет в состоянии ассимилировать влаговыделения с разницей 0,3 гр/кг. В часы максимальной нагрузки для компенсации явных тепловыделений при соблюдении предельной разности температур 6°С, установленных для "dt", воздух должен пройти последующий нагрев до 18°С. Таким образом, мощность калорифера второго подогрева составит:

[125x1,2x(18-13)]=750 кВт.

Существует вариант, более выгодный с точки зрения экономии энергоресурсов, - использование рекуперированного теплообменника. Тогда мощность по холоду для компенсации явных тепловыделений в помещении будет равна не 900 Вт (выражение 1), а уже 1 650 (750+900) Вт, то есть на 83 % больше явных тепловыделений.

При сокращенных нагрузках, например, когда нет тепловыделений от оборудования и солнечной радиации (530 Вт), чтобы ассимилировать явные тепловыделения (900-530 Вт), приточный воздух должен иметь температуру около 21,5°С.

В таких условиях охладитель будет давать 1 650 Вт (примерно в 4,5 раза больше значения ощущаемой нагрузки помещения), а второй подогрев должен будет обеспечивать около 1 280 Вт, то есть в 3,5 раза больше явных тепловыделений в помещении.

Система с байпасом, используемым в утилизаторе

Система, в которой предусмотрен байпас воздуха, направляемого в утилизатор, аналогична показанной на рис. 7, представляет собой интересное в плане энергосбережения техническое решение, поскольку позволяет регулировать температуру приточного воздуха без применения второго подогрева.

Здесь необходимо достаточно точно рассчитать объемы воздуха, направляемого в рекуператор и поступающего в охладитель, с учетом потребностей обслуживаемого помещения.

Мощность охладителя не будет постоянной, а будет сокращаться по мере уменьшения явных тепловыделений в помещении.

Излишне напоминать, что установка с байпасом не может использоваться в ситуации, когда для системы требуется один только наружный воздух.

Размеры системы кондиционирования

При распределении от пола, если используется устройство второго подогрева, оно должно иметь поперечное сечение по меньше мере в два раза больше, чем обычно требуется при распределении сверху.

Используя установку с байпасом, в два раза большее сечение должен иметь только вентиляционный контур. В обеих системах чем больше используемые вентилятор и его двигатель, тем больше должно быть сечение приточных и вытяжных воздушных каналов.

Размеры холодильного агрегата

На аналогичных установках при распределении от пола холодильный агрегат не может быть меньше, чем применяемый при распределении сверху.

Кроме прочего, в первом случае не происходит накопление теплоты в структуре пола, то есть теплоты, которая уменьшает показатель максимальной тепловой нагрузки (рис. 4).

При аналогичных проектных условиях повышение температуры отводимого воздуха, обусловленное ростом температуры воздуха в помещении в непосредственной близости от потолка, независимо от того, что такое повышение можно получить также подачей и отводом воздуха сверху, позволяет сократить мощность узла обработки воздуха, но не размеры холодильного агрегата. Повышение температуры отводимого воздуха и температуры на мокром термометре смеси наружного и вытяжного воздуха может, безусловно, повысить КПД компрессора, но не может в значительной степени влиять на размеры агрегата.

Данные утверждения действительны, когда система обеспечивает рекуперацию тепла удаляемого воздуха и может использоваться обрабатывающий узел с байпасом рекуперированного воздуха. В системе, которая работает полностью на наружном воздухе либо оснащена калорифером второго подогрева, распределение воздуха от пола в силу сокращенного "dt" требует, как правило, наличия холодильного агрегата, имеющего мощность вдвое большую по сравнению с мощностью, требуемой при распределении сверху.

Гигиеничность

В предыдущих разделах мы изложили причины, по которым можно рекомендовать распределение воздуха от пола, среди них - улучшение качества получаемого воздуха в силу того, что в этом случае различные загрязняющие вещества скапливаются вверху. Мы не намереваемся ставить под сомнение исследования уровня концентрации загрязняющих веществ и тот факт, что при распределении от пола такая концентрация сокращается в среднем на 20-25 %.

Однако мы считаем, что суть проблемы загрязнения и определения его показателей может меняться от помещения к помещению в зависимости от вида деятельности учреждения, особенностей материалов, использованных для строительства здания (материалы полов, стен, лакокрасочные покрытия и пр.), и даже имеющейся мебели и оборудования.

Вряд ли можно спорить, к примеру, с тем, что в административном помещении, то есть там, где активно перемещается некоторое количество сотрудников, на ногах которых имеется обувь, "загрязненная" внешней средой (предположим, на улице дождь), при распределении от пола загрязняющие элементы, принесенные с улицы, вместо того чтобы остаться на полу, пойдут в обращение и будут ухудшать качество воздуха в помещении.

Если к тому же предположить, что в ходе обычной уборки помещения и обычного мытья полов загрязняющие элементы будут осаждаться внутри диффузоров, образуя отличную питательную среду для микробов, спор, бактерий и пр., то гигиеничность системы вообще ставится под большое сомнение.

Закупочная стоимость и эксплуатационные расходы

Мы не станем проводить детальных сравнений и отрицать известную гибкость системы распределения от пола (уменьшение будущих расходов на переустройство), позволяющей изменять способ распределения путем всего лишь замены расположения панелей, на которых установлены воздухораспределители. Однако, нам представляется, что с учетом описанных выше обстоятельств (большие объемы перемещаемого воздуха, большее число воздухораспределителей, более громоздкие холодильные агрегаты и обрабатывающие узлы, увеличенные сечения подающих и отводящих воздуховодов, дополнительные расходы на надстройку полов) закупочная стоимость и особенно эксплуатационные расходы будут выше, чем аналогичные показатели системы распределения воздуха сверху.

Перепечатано с сокращениями из журнала RCI.

Перевод с итальянского С.Н. Булекова.