Особенности системы вентиляции Большого зала Московской государственной консерватории им. П.И. Чайковского

О. Я. Кокорин, доктор техн. наук, профессор МГСУ

М. А. Колосов, канд. техн. наук, ведущий специалист по спортивным технологиям ООО «НПФ “ХИМХОЛОДСЕРВИС”», доцент МГТУ им. Н.Э. Баумана

К. С. Егоров, канд. техн. наук, доцент МГТУ им. Н.Э. Баумана

Главный корпус Московской консерватории был полностью перестроен по проекту архитектора Василия Загорского в период с 1891 по 1901 годы и тогда же он приобрел свой современный вид. В новом корпусе был размещен Большой зал консерватории (БЗК), первоначально рассчитанный на 2500 зрителей. Сегодня требования к комфорту возросли: в партере, например, установлены новые, более просторные кресла, и поэтому теперь зал рассчитан на 1805 человек. Для главного корпуса и БЗК инженером Г.С. Войницким был разработан специальный проект системы отопления и вентиляции [1]. Этот проект, выполненный еще в XIX веке, сегодня удовлетворяет самым высоким энергетическим и санитарно-гигиеническим требованиям, отвечает современным направлениям повышения эффективности систем вентиляции и кондиционирования воздуха (СКВ). Одной из особенностей этого проекта, если говорить современным языком, была реализация в системе кондиционирования БЗК схемы вытесняющей вентиляции. По этой схеме свежий воздух, охлажденный или нагретый в зависимости от сезона, равномерно подается к зрителям снизу, под кресла, а загрязненный воздух, адсорбировавший все вредности (излишки тепла или холода, влагу, углекислый газ, пыль и т.д.) отводится из помещения сверху [2].

Однако в отечественной практике до настоящего времени чаще применяется схема смесительной вентиляции, при которой свежий приточный воздух вентиляторами под напором подается в помещение преимущественно сверху. За счет напора, создаваемого вентиляторами, воздух в помещении перемешивается, адсорбирует вредности и отводится из помещения через каналы, которые могут располагаться как сверху, так и снизу. В концертных залах или на трибунах спортивных арен, например, вытяжные устройства могут находиться под креслами зрителей [3].

Системы вытесняющей вентиляции получили распространение в 80-х годах прошлого века в Скандинавских странах. Первые системы были освоены в 1978 году. В ноябре 1992 года на съезде НП «АВОК» шведские специалисты сделали доклад о схемах вытесняющей вентиляции и продемонстрировали образцы специальных аппаратов для таких схем. Сегодня многие зарубежные фирмы выпускают такие аппараты, и в первую очередь воздухораспределители, позволяющие подавать свежий воздух непосредственно к зоне пребывания людей.

Что касается отечественных исследований в этой области, по признанию председателя технического комитета REHVA г-на Livio de Santoli, приоритет отводится российскому ученому В.В. Батурину [4].

Одно из первых описаний схем с вытесняющей вентиляцией в отечественной литературе было сделано профессором Ю.А. Табунщиковым [2]. Позже был выполнен ряд работ по сравнению схем вытесняющей и смесительной вентиляции. Например, в статье [5] приведены результаты сравнения энергоэффективности этих схем для СКВ трибун универсального спортивного зала. Но в нашей стране вытесняющая вентиляция еще не получила заслуженного, широкого распространения.

Вредности поступают в помещение в первую очередь от людей. Водяные пары, углекислый газ и запахи поступают в окружающий воздух при температуре человеческого тела +36,6 °C. Если температура внутри помещения, например, t_в = +24 °C, то воздух около тела человека нагревается, плотность его падает и формируется интенсивный восходящий поток загрязненного воздуха, который стремится к потолку.

При смесительной схеме вентиляции свежий приточный воздух интенсивно перемешивается в кондиционируемом помещении, в зоне пребывания людей, с загрязненным и влажным воздухом, что сразу значительно снижает его санитарно-гигиенические качества. Поэтому только часть вредностей удаляется из области пребывания людей к потолку, а часть смешивается с приточным воздухом и возвращается в зону дыхания людей. Сегодня смесительная вентиляция – наиболее распространенный и традиционный тип вентиляции, поскольку проста в организации воздухообмена, одинаково эффективно работает как для традиционной схемы воздухообмена в помещении «сверху вверх», так и для схемы «сверху вниз», когда вытяжка производится из области около пола или через приемные каналы в основании трибун для зрителей. Но такая схема воздухообмена менее эффективна, чем вытесняющая схема вентиляции, что обусловлено поглощением выделяемых людьми вредностей только в зоне нахождения людей. На примере системы вентиляции БЗК в статье проведено сравнение двух этих схем и показаны некоторые преимущества вытесняющей схемы вентиляции.

Исходные данные

На рис. 1 представлен разрез главного корпуса консерватории и сечение Большого зала. Следует отметить новаторские качества отечественных специалистов, которые еще в XIX веке при проектировании Большого зала Московской консерватории применили схему вытесняющей вентиляции, которая, как показала многолетняя практика, надежно и эффективно работала все эти годы. За более чем столетнюю историю эксплуатации БЗК от зрителей в партере не было жалоб на духоту, сквозняк или другие неблагоприятные факторы.

В сечении консерватории (рис. 1) хорошо видны особенности конструкции БЗК. Под залом устроено просторное помещение (4) с потолками высотой 2,13 м (1 сажень), которое занимает камера постоянного статического давления. Сюда, после предварительной обработки, нагнетается свежий воздух. Через специальные отверстия в полу партера, под креслами, этот воздух равномерно поступает в зал (1), непосредственно в область пребывания публики. Подобные камеры сегодня устроены под обоими амфитеатрами, а на балконы свежий воздух подается через каналы под фальш-полом. Эти камеры к тому же эффективно выполняют роль концевых глушителей. Таким образом, авторами проекта на всем пространстве БЗК последовательно реализована регулярная вытесняющая вентиляция.

Рисунок 1 (подробнее) Сечение главного корпуса консерватории и Большого зала: 1 – БЗК; 2 – вестибюль БЗК; 3 – нижний холл БЗК; 4 – камера постоянного статического давления; 5 – подвесной потолок зала с розетками, выполняющими роль вытяжных решеток; 6 – капитальный потолок зала; 7 – чердак с размещенными в нем вытяжными агрегатами

Помещение Большого зала украшено подвесным потолком, который скрывает капитальные перекрытия и служит важным элементом системы вентиляции. В первоначальном проекте 1901 года [1] вытяжка загрязненного воздуха осуществлялась только через пять решеток, выполненных в виде розеток (5) на подвесном потолке в тыльной части зала. Этого стало недостаточно при вентиляции зала по современным санитарным нормам. Поэтому теперь на подвесном потолке разместили восемь решеток. Через эти решетки (5) потоки загрязненного теплого воздуха поступали в межпотолочное пространство, откуда отсасывались вентиляторами вытяжных агрегатов на чердаке (7). Такая конструкция потолка позволяет эффективно подавлять шум от вытяжных агрегатов и, главное, формирует акустику зала, придавая звуку объемность.

За прошедшие годы оборудование СКВ консерватории устарело, изменились требования к качеству приточного воздуха, мощности и энергоэффективности систем, словом, назрела необходимость полной реконструкции. Генеральным проектировщиком реконструкции выступил ГУП «Моспроект-4», а разработчиком проекта систем кондиционирования и вентиляции – отдел ОВК. За основу схемы организации воздухообмена в БЗК проектировщиками был взят проект инженера Г.С. Войницкого [1], только была увеличена удельная (на одного человека) подача свежего воздуха в зал, изменена схема подготовки приточного воздуха, особенно летом, и увеличено до восьми число вытяжных решеток на потолке. Но даже эти небольшие изменения потребовали от инженеров больших творческих усилий по сохранению акустических характеристик и внешнего вида Большого зала.

Процессы теплообмена, вентиляции и кондиционирования, подачи и удаления воздуха в БЗК еще на этапе разработки проекта реставрации потребовали специального математического исследования, которое позволило бы обеспечить комфортные условия для исполнителей на сцене и зрителей в зале. Для этого требовалось рассчитать во всем его объеме параметры воздуха, в первую очередь температуру и скорость в зоне нахождения зрителей, т.е. на высоте до 1,5…2,0 м [6].

По существующим нормативным документам [7, 8], диапазон комфортных температур воздуха для зрителей составляет +21…+25 °C, а его скорость и подвижность не должны превышать 0,3 м/с (желательно примерно 0,2 м/с). Локальная разность температур (градиент температуры) по высоте зоны нахождения зрителей, т.е. в диапазоне от 0,1 до 1,5 м, должна быть не более 3 °C, а изменение скорости воздуха (градиент скорости) не должно превышать 0,1 м/с (50%). В летнее время желательно смещение температуры в зале к границе верхних значений, а зимой – к нижней границе.

Планировалось оценить эффективность работы предложенной системы вентиляции и кондиционирования в условиях экстремальных тепловых нагрузок и неблагоприятного сочетания внешних параметров.

По своему масштабу и сложности проект систем кондиционирования и вентиляции всех учебных и вспомогательных помещений основного корпуса можно смело отнести к исключительно сложным. Только для Большого зала и прилегающих к нему помещений было смонтировано до 15 центральных кондиционеров различной производительности и свыше двух десятков вытяжных и вентиляторных установок. Для подготовки и обработки воздуха, поступающего непосредственно в Большой зал – зону партера и на амфитеатры, используются два мощных центральных кондиционера производительностью по 30 тыс. м3/ч свежего воздуха, позволяющие круглогодично проводить полную обработку приточного воздуха. В зависимости от внешних условий они проводят многоступенчатую обработку воздуха: фильтрацию, первичный и вторичный подогрев, увлажнение и охлаждение. Встроенные воздухоохладители мощностью по 220 кВт, в которые поступает водный раствор гликоля, охлаждают воздух до +3,2 °C, обеспечивая его глубокую осушку. В приточную и вытяжную секции кондиционеров встроены гликолевые контуры регенерации теплоты, которые в холодное время используются для первичного подогрева приточного воздуха без затрат энергии. Быстроходные вентиляторы с частотным регулированием позволяют плавно регулировать производительность кондиционеров, а специальные шумопоглотители снижают уровень шума от них до 15…20 дБ, обеспечивая высокие требования по бесшумности.

Сравнение двух схем вентиляции

Для условий Большого зала, для двух схем вентиляции, рассчитываются потребные холодопроизводительности и мощности СКВ при подготовке санитарной нормы воздуха, обеспечивающие комфортные условия. Физические нагрузки взрослого человека на концерте можно охарактеризовать как легкую работу, и при внутренней температуре помещения t_в = +25 °C в окружающий воздух поступают:

• явное тепло – q_тя = 65 Вт;
• водяной пар – W_л = 115 г/ч.

Для условий БЗК по санитарным нормам и Стандарту [7] расход наружного воздуха на одного зрителя должен составлять не менее L_пн.мин = 30 м³/ч. Расчет затрат энергии на охлаждение и осушку воздуха до состояния, обеспечивающего поглощение вышеуказанных выделений теплоты и влаги, выполняется при равенстве объема приточного воздуха (L_п) этой саннорме (L_пн.мин). В этом случае СКВ расходует минимум энергии на подготовку и транспортировку приточного воздуха.

Расчет выполняется для теплого периода года в условиях Москвы, т.е. при параметрах наружного воздуха (рис. 2, состояние Н). На рис. 2 в I-d диаграмме влажного воздуха построены процессы обработки воздуха, которые характерны для схемы со смесительной вентиляцией при кондиционировании БЗК в этих условиях. СКВ призвана обеспечивать в зоне пребывания зрителей, в пространстве кресел следующие параметры: t_в = +24,0 °C; φ_в = 60%; d_в = 11,2 г/кг; I_в = 52,6 кДж/кг (рис. 2, состояние В).

Рисунок 2. Построение на I-d диаграмме влажного воздуха для условий Москвы в теплый период года процессов при работе СКВ зрительного зала со схемой смесительной вентиляции: Н-ОХ – охлаждение и осушка наружного воздуха в приточном агрегате; ОХ-П – прогрев воздуха в вентиляторе и воздуховодах; П-В – поглощение тепла и влаги в зоне нахождения зрителей

При смесительной схеме вентиляции температура вытяжного воздуха t_у равна температуре внутреннего воздуха t_в. Поэтому для поглощения расчетных выделений влаги W_л необходимо L_п осушать до влагосодержания:

d_ОХ = d_Н – W_л/L_Пρ_В = 11,2 – 115/30·1,21 = 8,0 г/кг.

Учитывая, что после конденсационного осушителя выходит воздух с относительной влажностью примерно φ_ОХ = 95%, находим параметры состояния ОХ (рис. 2).

При этом удельные, на одного зрителя, потребности в холоде составят:

Q_Х = L_П ρ_В (I_Н – I_ОХ)/3,6 = 247 Вт·ч.

Обобщенный холодильный коэффициент СКВ, учитывающий как расход электроэнергии в холодильной машине, так и работу вспомогательных насосов и вентиляторов, составляет ε_СКВ = 2,68 [5]. Поэтому удельный расход электроэнергии при смесительной схеме вентиляции составит: N_СМ = Q_X/ε_СКВ = 92,2 Вт·ч.

При использовании вытесняющей вентиляции приточный воздух поглощает тепло и вредности по всей высоте помещения, а не только в зоне пребывания людей, его температура непрерывно повышается, и поэтому важно еще на первой стадии проектирования системы вентиляции оценить температуру (t_у) и влагосодержание (d_у) удаляемого вытяжного воздуха. В работе [9] был предложен метод определения этих параметров, опирающийся на показатели, характеризующие схему организации и процессы воздухообмена в помещении: k_Lt и d_Ld. Температурный показатель (коэффициент) k_Lt определяется как отношение реального и минимального повышения температуры приточного воздуха в помещении:

k_Lt = (t_у – t_п) / (t_в – t_п). (1)

Показатель влагосодержания (d_Ld) определяется подобным образом:

d_Ld = (d_у – d_п) / (d_в – d_п).(2)

Показатели, вычисляемые по выражениям (1) и (2), в монографии [9] названы показателями организации воздухообмена в помещении. Значения k_Lt и d_Ld служат в некотором роде показателями эффективности системы вентиляции. С использованием данных профессора М.И. Гримитлина и О. Я. Кокорина [9] построена зависимость показателя k_Lt, которая воспроизведена на рис. 3. Определяющим параметром (независимым аргументом) для k_Lt является отношение количества явных теплопритоков, адсорбированных приточным воздухом в зоне пребывания людей, к общему количеству тепла, адсорбированного удаляемым воздухом.

Рисунок 3. Графическая зависимость температурного показателя kLt: Гр– данные профессора М. И. Гримитлина; К – данные профессора О. Я. Кокорина; БЗК – значение, полученное для Большого зала

При известных значениях k_Lt и d_Ld можно легко определить параметры вытяжного воздуха:

t_у = t_n + k_Lt · (t_в – t_n), °C;(3)

d_Ld = d_n + k_Lt · (d_в – d_n), г/кг.

Удельное количество удаляемых приточным воздухом тепловыделений пропорционально разности (t_у – t_п), а количество влаги – разности (d_в – d_п). Ограничения, обусловленные физиологией человека, не позволяют заметно снижать t_п и d_п, поэтому при организации вентиляции в помещении следует стремиться к росту t_у и d_у, т.е. применять схемы с большими значениями k_Lt и d_Ld. Это увеличивает эффективность использования приточного воздуха, и в этом случае при известной нагрузке на помещение потребуется готовить меньше свежего воздуха. Для смесительной схемы вентиляции температурный показатель k_Lt равен единице (k_Lt = 1), и это значение отвечает нижней границе эффективности воздухообмена в помещении. Во всех построенных в России за 70–90-е годы прошлого века зданиях применяется смесительная вентиляция, и по этому показателю они имеют нижний уровень эффективности.

При вытесняющей вентиляции охлажденный воздух с температурой t_п подается непосредственно к полу помещения, и этим задается нижняя граница температуры воздуха в зоне нахождения людей. Температурный перепад (t_в – t_п) в этой зоне не должен превышать 5,0°С. С другой стороны, увеличение температурного перепада (t_у – t_п) повышает эффективность использования удельного хладопотенциала приточного воздуха. Поэтому, при организации вытесняющей вентиляции применяют специальные воздухораспределительные решетки и устройства, которые позволяют подавать приточный воздух с температурой ниже t_п ≤ t_в – 5 °C. В таких аппаратах поступающий охлажденный воздух смешивается с воздухом из нижней зоны помещения, что позволяет выдерживать на нижней границе зоны нахождения людей комфортную температуру, соответствующую нижним сезонным значениям, т.е. +23,0…+24,0 °C летом.

Литература

1. Войницкий Г.С. Пояснительная записка к проекту отопления и вентиляции московской консерватории. М., 1901.
2. Табунщиков Ю.А. Спорткомплекс Саппоро – новые технические решения // АВОК.– 2006.– № 6.
3. Monteyne R. Проектные решения ОВК для многоцелевых спортивных арен // АВОК.– 1966.– №№ 3, 4.
4. Вытесняющая вентиляция в непроизводственных зданиях. / Х. Скистад (ред.) и др. М. : АВОК-ПРЕСС, 2006 (2-е изд.).
5. Кокорин О.Я. Сравнение систем кондиционирования воздуха по показателям энергетической эффективности // АВОК.– 2011.– № 2.
6. Колосов М.А., Егоров К.С. Система вентиляции и кондиционирования Большого зала Московской консерватории им. П.И. Чайковского. Математическое моделирование. // Холодильная техника.– 2012.– № № 8–11.
7. ГОСТ 30494–96. Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях. М., 1996.
8. Стандарт АВОК-1–2002. Здания жилые и общественные. Норма воздухообмена. М. : АВОК-Пресс, 2002.
9. Кокорин О.Я. Современные системы кондиционирования воздуха. М. : Физматлит, 2003.

Окончание статьи читайте в следующем номере