Вытесняющая вентиляция в непроизводственных зданиях

Cистемы вытесняющей вентиляции (Displacement Ventilation, DV, и их модификации – Cooled Beam, UFAD и т. п.) продолжают интересовать специалистов отрасли у нас в стране и за рубежом. Этот интерес определяется двумя причинами: одна из них – определенная «нетрадиционность» методов их расчета; вторая состоит в том, что область применения DV, методы их проектирования и регулирования до настоящего времени четко не определены.

В нашем журнале в 2001–2002 годах был опубликован ряд статей (см. «Системы вытесняющей вентиляции для промышленных зданий. Типы, область применения, принципы проектирования», «АВОК», 2001, № 5, с. 36–46; «Системы вентиляции с воздухораспределителями в полу / Опыт применения», «АВОК», 2002, № 6, с. 40–42; «Системы вентиляции с воздухораспределителями в полу / Температурная стратификация», «АВОК», 2002, № 6, с. 44–50) с редакционными комментариями, в которых достаточно подробно рассмотрены физические процессы, лежащие в основе формирования распределения воздушных и тепловых потоков в помещениях, принципы расчета, возможная область применения, достоинства и недостатки системы и т. п.

Данные публикации не содержали конкретных сведений, позволяющих инженеру-проектировщику выполнить необходимые расчеты и подобрать оборудование. Фирмы-производители воздухораспределителей для вытесняющей вентиляции, например «Trox», «Halton» и др., предлагают в своих каталогах определенную информацию о DV, однако ее недостаточно для проектирования систем.

В 2002 году Федерация Европейских ассоциаций в области отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (REHVA) начала подготовку серии справочников (REHVA Guidebook) по актуальным вопросам специальности. Первым изданием из серии был справочник «Вытесняющая вентиляция в непроизводственных зданиях» («Displacement Ventilation in Non-Industrial Premises»).

Авторы-составители справочника – Haokon Skistad (ред.), Elisabeth Mundt, Peter V. Nielsen, Kim Hagstrom, Jorma Railio – известные специалисты из скандинавских стран, где еще в 1980-х годах началось применение систем вытесняющей вентиляции и были разработаны первые конструкции воздухораспределителей.

НП «АВОК» получило право на перевод, издание и адаптацию справочника для российских условий. Ожидается, что российское издание справочника «Вытесняющая вентиляция в непроизводственных зданиях» будет подготовлено в 2003 году.

Справочник состоит из следующих основных разделов:
1. Общий обзор вытесняющей вентиляции.
2. Терминология, символы и единицы.
3. Основные сведения о вытесняющей вентиляции, в том числе:
– принципы организации воздухообмена;
– распределение температуры воздуха по высоте вентилируемых помещений и практические рекомендации по его определению;
– сведения о конвективных потоках над источниками тепла;
– распределение загрязняющих веществ в помещении;
– эффективность вытесняющей вентиляции;
– отопление помещений.
4. Воздухораспределители для вытесняющей вентиляции.
5. Проектирование систем вытесняющей вентиляции.
6. Энергоэффективность вытесняющей вентиляции.
7. Системы автоматики и управления.
8. Примеры расчета и проектирования вытесняющей вентиляции в ресторане, офисе, зале заседаний, аудитории, классе.

Ниже представлена подробная аннотация справочника «Вытесняющая вентиляция в непроизводственных зданиях», подготовленная по материалам доклада его редактора Хакона Скистада (Haokon Skistad) на 43-м международном симпозиуме AICARR («Качество среды и технологические решения»), Милан, 7–8 марта 2002 года.

Е. О. Шилькрот, вице-президент НП «АВОК»

Основные принципы вытесняющей вентиляции

В системах вытесняющей вентиляции (DV) приточный воздух подается с уровня пола непосредственно в обслуживаемую зону помещения, при этом его температура должна быть ниже температуры воздуха в помещении (DТ=1–8 °C). Если приточный воздух холоднее воздуха помещения более чем на 3 °C, то его следует смешивать с воздухом помещения, чтобы избежать неприятных ощущений для людей от холодных воздушных потоков на уровне пола. Удаление нагретого загрязненного воздуха, вытесняемого в верхнюю зону в конвективных потоках над тепловыми источниками, происходит на уровне потолка помещения.

Для обеспечения устойчивой вытесняющей вентиляции объемы подаваемого воздуха (q_s) должны равняться сумме объемов воздуха в конвективных потоках над тепловыми источниками на уровне границы раздела, уровня стратификации, нижней зоны помещения, заполненной свежим и чистым воздухом, и верхней зоны, заполненной загрязненным воздухом (рис. 1):

q_s=q_e=q_p,1+q_p,2+q_p,3   (1)

Рис. 1. Воздушные потоки в помещении с вытесняющей вентиляцией (q_s, q_e, q_oz – температура приточного воздуха, температура удаляемого воздуха и температура воздуха в обслуживаемой зоне соответственно)

Рис. 2. Схемы подачи воздуха

Рис. 3. Подача воздуха из-под кресел в театрально-концертных залах

Воздухораспределители

Приточный воздух подается в помещение через воздухораспределители, расположенные на уровне пола либо встроенные непосредственно в пол. На рис. 2 представлены типовые схемы организации подачи воздуха.

В театрально-концертных залах воздух зачастую подается из-под кресел (рис. 3). Такое решение хорошо себя зарекомендовало, однако на практике оно требует особого внимания в части предотвращения неприятных холодных потоков на уровне щиколоток.

НЕКОТОРЫЕ ПОЯСНЕНИЯ

Принцип работы системы вытесняющей вентиляции, в основу которого положен приток воздуха в обслуживаемую зону и удаление воздуха и горячих газов на уровне потолка, известен и применяется уже сотни лет на промышленных объектах, главным образом на объектах тяжелой промышленности.

Одним из первых научных исследований в области изучения данного принципа вентиляции считается работа Батурина 1940 года. С начала 80-х годов прошлого столетия системы вытесняющей вентиляции стали широко и довольно успешно применяться в скандинавских странах в административных помещениях и конференц-залах.

В последние 20 лет системы вытесняющей вентиляции стали использоваться еще шире, причем не только в промышленности. К несчастью, многие разработчики не придавали должного значения ограничениям, которые имеются у данных систем. В результате они зачастую применялись с проектными ошибками, а иногда и в таких случаях, когда их использование просто-напросто противопоказано. И наоборот, когда система корректно рассчитана, спроектирована и смонтирована, она имеет целый ряд бесспорных преимуществ по сравнению с системой перемешивающей вентиляции, особенно в помещениях с высокими потолками.

ОБОЗНАЧЕНИЯ

с – концентрация загрязняющих веществ, мг/м³, ppm
c_e – концентрация загрязняющих веществ на вытяжке, мг/м³, ppm
c_exp – концентрация загрязняющих веществ во вдыхаемом воздухе, мг/м³, ppm
c_oz – концентрация загрязняющих веществ на обслуживаемом участке (на высоте 1,1 м от уровня пола), мг/м³, ppm
c_s – концентрация загрязняющих веществ на подаче, мг/м³, ppm
q_e – объем отводимого воздуха, л/с
q_s – объем подаваемого воздуха, л/с
q_p – объем воздуха, генерируемый тепловым шлейфом, л/с
z – высота потолков в помещении, м
q_e – температура воздуха на вытяжке, °C
q_oz – температура воздуха на обслуживаемом участке, °C
q_s – температура воздуха на подаче, °C

Вытесняющая вентиляция и качество воздуха

Основное преимущество вытесняющей вентиляции – существенное повышение качества воздуха. При неизменных объемах вентиляционного воздуха и эмиссии загрязняющих веществ и равных прочих условиях качество воздуха в обслуживаемой зоне будет лучше, если в помещении используется вытесняющая вентиляция, а не традиционная перемешивающая (MV) (рис. 4). Преимущества определяются высотой стратификации загрязненного воздуха.

Рис. 4. Качество воздуха в помещениях, оборудованных системами вытесняющей и перемешивающей вентиляции при равных воздухообменах и эмиссии загрязняющих веществ

Рис. 5. Достаточный (слева) и недостаточный (справа) воздухообмен для поддержания уровня стратификации выше головы человека

Достаточно большие объемы вентиляционного воздуха гарантируют распределение воздуха, представленное на рис. 5 слева. Эксперименты, проведенные Сандбергом (Sandberg) и Этериджем (Etheridge), показали, что конвективный поток, формирующийся человеком, может вызвать приток чистого свежего воздуха до высоты вдыхания воздуха (рис. 6).

Рис. 6. Конвективный поток от человека способствует повышению качества вдыхаемого воздуха

Лабораторные испытания дают основания утверждать, что объемы вентиляционного воздуха порядка 10 л/с на человека, подающиеся непосредственно в обслуживаемую зону помещения, дают улучшение качества воздуха, аналогичное тому качеству, которое перемешивающая вентиляция обеспечивает при воздухообмене 20 л/с на человека. Эти данные получены в лабораторных исследованиях и в условиях практической деятельности пока не проверялись.

Вытесняющая вентиляция в помещениях с избытками тепла

На рис. 7 представлена типичная схема распределения температуры в помещениях с вытесняющей и перемешивающей системами вентиляции. Особенность вытесняющей вентиляции состоит в том, что температура повышается от пола к потолку. Особо следует подчеркнуть, что температура воздуха на уровне пола выше температуры его поверхности, что обусловлено перемешиванием приточного воздуха с воздухом помещения и радиационным теплообменом между потолком и полом.

Вертикальный градиент температуры воздуха в помещении не должен превышать 1,5–2 °C (рис. 8), что фактически ограничивает разность температур между зоной обслуживания, нижней зоной и верхней зоной вытяжки. При определенной температуре воздуха в обслуживаемой зоне температура приточного воздуха (при вытесняющей вентиляции) не может быть низкой, как это происходит в системах перемешивающей вентиляции. В помещениях с потолками высотой около 2,4 м разность температур составляет примерно 2 °C. В помещениях с более высокими потолками это значение может повышаться. В примере, показанном на рис. 9, эта разница составляет 4,5 °C.

Рис. 7. Вертикальный градиент температуры воздуха в помещениях с вытесняющей и перемешивающей системами вентиляции при равных воздухообменах и тепловой нагрузке

Рис. 8.Ограничение разности температур между зоной обслуживания и верхней зоной вертикальным градиентом температур

Рис. 9. Схема температурного распределения в помещении с высокими потолками – сравнительные характеристики вытесняющей и перемешивающей систем вентиляции

Рис. 10. Театрально-концертный зал с системой вытесняющей вентиляции и рециркуляцией воздуха

Поскольку вытесняющая вентиляция обуславливает более низкую температуру воздуха в обслуживаемой зоне при определенной фиксированной температуре приточного воздуха, имеется возможность на протяжении практически всего года пользоваться естественным охлаждением, или, иначе говоря, охлаждением наружным воздухом. Кроме того, температура воздуха в обслуживаемой зоне может быть ниже, чем при перемешивающей вентиляции.

Поскольку в системе вытесняющей вентиляции холодный приточный воздух подается непосредственно в обслуживаемую зону, необходимо использовать воздухораспределители, которые обеспечивали бы необходимое перемешивание приточного воздуха с воздухом помещения. Ошибка с выбором приточной системы неизбежно влечет за собой проблемы холодных воздушных потоков, создающих дискомфорт для людей.

Зачастую оказывается, что объемы воздуха, необходимые для обеспечения теплового комфорта, значительно больше, чем требуется для получения максимальных преимуществ по качеству воздуха в системах вытесняющей вентиляции (от 10 до 20 л/с на человека). В этом случае экономически целесообразным решением, по сравнению с прямоточными системами, может стать рециркуляция (рис. 10). Предположим, что объем вентиляционного воздуха составляет 10 л/с на человека, при этом 40 % этого воздуха идет по рециркуляции. В этом случае концентрация СО₂ в зоне дыхания составит примерно 900 ppm, тогда как в помещении с перемешивающей системой вентиляции она поднимется до 1 350 ppm [2]. Таким образом, система вытесняющей вентиляции дает ощутимые преимущества и в плане качества воздуха, и в плане экономии энергоресурсов по кондиционированию помещений.

Охлаждаемые потолки и система кондиционирования воздуха

Охлаждаемые потолки в сочетании с системой вытесняющей вентиляции могут оказаться даже более полезными, чем задумывали проектировщики. При этом стратификация воздуха в помещении не нарушается. Показано, что в помещении, где охлаждаемые потолки сочетаются с вытесняющей вентиляцией, до 50 % общей тепловой нагрузки может сниматься с потолка. Увеличение нагрузки, снимаемой с потолка, вызывает интенсификацию нисходящих воздушных потоков и нежелательное расширение зоны перемешивания воздуха, что практически сводит к нулю эффект вытесняющей вентиляции. Вопрос, какую вентиляционную систему предпочесть для помещений высотой от 2,5 до 3 м, где основной вредностью являются тепловыделения, представляется достаточно спорным. Несомненно, однако, что для помещений с высокими потолками предпочтительной является система вытесняющей вентиляции.

Вытесняющая вентиляция и отопление помещений

Когда речь идет о вытесняющей вентиляции, считается за правило, что вентиляционный воздух не может использоваться в целях отопления. Обычно тепло обеспечивается радиаторами, располагающимися под окнами либо на наружной стене. В качестве альтернативы может рассматриваться применение теплого пола: в этом случае температура пола достаточно низкая, чтобы приточный воздух растекался по нему, не сильно нагреваясь.

Рис. 11. Температурный режим помещения при изменении тепловой нагрузки охлаждаемого потолка

Рис. 12. Движение воздуха перед воздухораспределителем – подача холодного воздуха

Подача воздуха

Как уже отмечалось, одна из основных проблем вытесняющей вентиляции – наличие характерных потоков холодного воздуха вблизи воздухораспределителей.

Главная причина – неправильный их подбор. В этой связи представляется целесообразным подчеркнуть следующие обстоятельства:
– Проблемы потоков холодного воздуха чаще всего возникают у воздухораспределителей, представляющих собой перфорированные пластины и разного рода решетки.
– Воздухораспределители различного назначения имеют разные аэродинамические характеристики.
– «Хороший» воздухораспределитель, предназначенный для подачи приточного воздуха с DТ=4–10 °C , обеспечивает хорошее перемешивание приточного воздуха с воздухом помещения и имеет ограниченную зону температурного дискомфорта.
– «Хороший» воздухораспределитель, предназначенный для подачи приточного воздуха с DТ=0,5–2 °C, обеспечивает незначительное перемешивание приточного воздуха с воздухом помещения.

Таким образом, для обеспечения корректной работы вентиляционной системы с оптимальными рабочими и эксплуатационными характеристиками следует использовать воздухораспределители, предназначенные именно для данного вида помещений и имеющие подробную техническую документацию изготовителя.

Подача в помещение холодного воздуха

Рис. 13. Зона, где могут возникать холодные воздушные потоки, разные типы воздухораспределителей

Когда воздух, подаваемый в помещение, холоднее воздуха помещения, он скользит по полу стратифицированным потоком, имеющим примерно одинаковую толщину, как правило, около 20 см. Максимальная скорость движения наблюдается на высоте примерно 2 см от пола (рис. 12). Перед воздухораспределителем образуется зона, для которой характерны высокая скорость и низкая температура. В такой зоне люди могут испытывать определенный дискомфорт на уровне щиколоток, обусловленный движением холодных потоков. Оптимальный побор воздухораспределителей должен свести к минимуму площадь такой зоны (рис. 13). Важно подчеркнуть, что низкоскоростной воздухораспределитель – это не просто перфорированная пластина. Он имеет определенные параметры подачи воздуха. И лучше, если он будет изготовлен фирмой с надежной репутацией.

Подача изотермического или нагретого воздуха

При подаче изотермического приточного воздуха его движение происходит по горизонтали вглубь помещения. А при подаче нагретого воздуха он поднимается вверх к потолку (рис. 14). Таким образом, очевидно, что система вытесняющей вентиляции эффективна только тогда, когда приточный воздух холоднее воздуха в помещении.

Рис. 14. Движение воздуха перед воздухораспределителем – подача изотермического и нагретого воздуха