Раздел теории




ВЕНТИЛЯЦИЯ

Различают два основных способа вентиляции зданий: вентиляция вытеснением и вентиляция перемешиванием.

Вентиляция вытеснением преимущественно используется для вентилирования больших промышленных помещений, поскольку она может эффективно удалять излишки тепловыделений, если правильно рассчитана. Воздух подается на нижний уровень помещения и течет в рабочую зону с малой скоростью. Этот воздух должен быть несколько холоднее, чем воздух помещения, чтобы работал принцип вытеснения. Этот метод обеспечивает прекрасное качество воздуха, но он менее пригоден для использования в офисах и других небольших помещениях, поскольку терминал направленной подачи воздуха занимает довольно много места, и часто непросто избежать сквозняков в рабочей зоне.

Вентиляция перемешиванием является предпочтительным способом раздачи воздуха в ситуациях, когда необходима, так называемая, комфортная вентиляция. Основой этого метода является то, что подаваемый воздух поступает в рабочую зану уже смешанным с воздухом помещения. Расчет системы вентиляции должен быть сделан таким образом, чтобы воздух, циркулирующий в рабочей зоне, был достаточно комфортным. Другими словами, скорость воздуха не должна быть слишком большой, и температура внутри помещения должна быть более или менее однородной.

Вентиляция перемешиванием

Воздушная струя, входящая в помещение, вовлекает в поток и перемешивает большие объемы окружающего воздуха . В результате объем воздушной струи увеличивается, тогда как ее скорость снижается тем больше, чем дальше он проникнет в помещение. Подмешивание окружающего воздуха в воздушный поток называется эжекцией.


Рис. 8. Эжекция.

Движения воздуха, вызванные воздушной струей, вскоре тщательно перемешивают весь воздух в помещении. Загрязняющие примеси, находящиеся в воздухе, не только распыляются, но и равномерно распределяются. Температура в различных частях помещения также выравнивается.

При расчетах вентиляции перемешиванием самым важным моментом является обеспечение того, чтобы скорость воздуха в рабочей зоне не была слишком высокой, иначе возникает ощущение сквозняка.



Теория воздушных струй

На рис. 9, показана воздушная струя, которая формируется в случае, когда воздух принудительно подается в помещение через отверстие в стене. В результате появляется свободная воздушная струя. Если температура воздуха в струе такая же, как и в помещении, она называется свободной изотермической струей.

Распределение и форма

Воздушная струя состоит из нескольких зон с различными режимами потоков и скоростями перемещения воздуха. Зона, представляющая наибольший практический интерес, - это основной участок. Скорость в центре (скорость вокруг центральной оси) является обратно пропорциональной расстоянию от диффузора или клапана, т. е. чем дальше от диффузора, тем меньше скорость воздуха. Воздушная струя полностью развивается на основном участке, и превалирующие здесь условия будут оказывать решающее воздействие на режим потоков в помещении в целом.


Рис. 9. Основной участок воздушной струи, скорость , наклона.

От формы диффузора или проходного отверстия воздухораспределителя зависит форма воздушной струи. Круглые или прямоугольные проходные отверстия создают компактную воздушную струю конической формы. Для того чтобы воздушная струя была абсолютно плоской, проходное отверстие должно быть более чем в двадцать раз шире своей высоты или таким же широким, как помещение. Воздушные веерные струи получаются при прохождении через совершенно круглые проходные отверстия, где воздух может распространяться в любых направлениях, как в приточых диффузорах.


Рис. 10. Различные типы воздушных струй

Скоростной профиль

Скорость воздуха в каждой части струи можно рассчитать математически. Для расчета скорости на определенном расстоянии от выходного отверстия диффузора/клапана, необходимо знать скорость воздуха на выходе из диффузора/клапана, его форму и тип воздушной струи, который им формируется. Таким же образом возможно рассмотреть, как варьируют скорости в каждом профиле струи.

Используя эти расчеты, можно нарисовать кривые скорости для всей струи. Это дает возможность определить области, которые имеют одну и ту же скорость. Эти области называются изовелами (линии постоянной скорости). Убедившись, что изовела, соответствующая 0,2 м/сек, находится за пределами рабочей зоны, можно быть уверенным, что скорость воздуха не превысит этот уровень непосредственно в рабочей зоне.


Рис. 11. Различные изовелы воздушной струи

Коэффициент диффузора

Коэффициент диффузора - постоянная величина, которая зависит от формы диффузора или клапана. Коэффициент можно рассчитать теоретически с использованием следующих факторов: импульсное рассеивание и сужение воздушной струи в точке, где она подается в помещение, и степень турбулентности, созданная диффузором или клапаном.

На практике коэффициент определяют для каждого типа диффузора или клапана, измеряя скорость воздуха как минимум в восьми точках, находящихся на разном расстоянии от диффузора/клапана и не менее чем в 30 см друг от друга. Эти значения затем наносят на график с логарифмическим масштабом, который показывает замеренные величины для основного участка воздушной струи, а это, в свою очередь, дает значение для константы.

Коэффициент диффузора дает возможность рассчитать скорости воздушной струи и спрогнозировать распределение и путь воздушной струи. Этот коэффициент отличен от коэффициента К, который используется для введения верного значения объема воздуха, выходящего из приточного воздухораспределителя или ирисового клапана. Коэффициент К описан на странице 390.




Эффект настилания

Если воздухораспределитель установлен в достаточной близости от плоской поверхности (обычно это потолок), выходящая воздушная струя отклоняется в ее сторону и стремится течь непосредственно по поверхности. Этот эффект возникает вследствие образования разряжения между струей и поверхностью, а так как нет возможности подмеса воздуха со стороны поверхности, то струя отклоняется в ее сторону. Это явление называется настилающим эффектом.


РИС. 12. Настилающий эффект

Практические эксперименты показали, что расстояние между верхней кромкой диффузора или клапаном и потолком не должно превышать 30 см, чтобы возник настилающий эффект. Эффект настилания можно использовать для того, чтобы увеличить путь холодной воздушной струи вдоль потолка до внедрения ее в рабочую зону. Коэффициент диффузора будет несколько выше при возникновении настилающего эффекта, чем при свободном воздушном потоке. Также важно знать, как крепится диффузор или клапан при использовании коэффициента диффузора для проведения различных расчетов.

Неизотермическая воздушная струя

Картина распределения становится более сложной, когда подаваемый воздух теплее или холоднее, чем внутри помещения. Тепловая энергия, возникающая в результате разницы в плотности воздуха при различных температурах, заставляет более холодный воздушный поток двигаться вниз (струя тонет), а более теплый воздух устремляется вверх (струя всплывает). Это означает, что две различные силы оказывают воздействие на холодную струю, находящуюся у потолка: эффект настилания, который старается прижать ее к потолку, и тепловая энергия, которая стремится опустить ее к полу. На определенном расстоянии от выхода диффузора или клапана тепловая энергия будет преобладать, и воздушная струя в конечном итоге отклонится от потолка.

Отклонение струи и точка отрыва могут быть рассчитаны с помощью формул, основанных на температурных дифференциалах, на типе выходного отверстия диффузора или клапана, а также на скорости воздушного потока и т. д.


Рис. 13. Точка отрыва воздушной струи (Хm) и отклонение (Y)


Важные критерии при расчете вентиляции

Важно правильно выбрать и разместить воздухораспределитель. Важно также, чтобы в рабочей зоне температура и скорость воздуха были приемлемыми.

Правильная скорость воздуха в рабочей зоне

Для большинства воздухораспределительных устройств в каталоге приведена характеристика, называемая длина струи. Под длиной струи понимается расстояние от приточного отверстия диффузора или клапана до сечения воздушной струи, в котором скорость ядра потока снижается до определенного значения, обычно до 0,2 м/сек. Длина струи обозначается 102 и измеряется в метрах.


Рис. 14. Понятие "Длина струи"

Первое, что принимается во внимание при расчетах систем воздухорас-пределения,- это то, как избежать слишком высоких скоростей воздушного потока в рабочей зоне. Но, как правило, в рабочую зону попадает отраженный или обратный ток этой струи: см. рис.15.


Рис. 15. Обратный воздушный поток при установленном на стене диффузоре

Скорость обратного воздушного потока составляет примерно 70 % от скорости, основной воздушной струи у стены. Это означает, что диффузор или клапан, установленный на задней стене, подающий струю воздуха с конечной скоростью 0,2 м/сек, вызовет скорость воздуха в обратном потоке 0,14 м/сек. Что соответствует комфортной вентиляции в рабочей зоне, скорость воздуха в которой не должна превышать 0,15 м/с.

Длина струи для описанного выше диффузора или клапана такая же, как длина помещения, и в данном примере является прекрасным выбором. Приемлемая длина струи для установленного на стене диффузара лежит между 70 % и 100 % длины помещения.




Проникающая способность воздушной струи

Форма помещения может оказать существенное влияние на конфигурацию потока. Когда поперечное сечение воздушного потока составляет более 40 % от поперечного сечения помещения, эжекция воздуха помещения в поток прекратится. В результате воздушная струя начнет подмешивать собственный воздух. При этом увеличение скорости подаваемого воздуха не решит проблему, поскольку проникающая способность останется прежней, увеличится только скорость воздушной струи и окружающего воздуха в помещении.

В той части помещения, куда не доходит основной воздушный поток, начнут появляться другие воздушные потоки, вторичные вихри. Однако, если длина помещения менее чем в три раза больше его высоты, можно предположить, что воздушная струя проникнет до конца помещения.


Рис. 16. Вторичные вихри образуются в самом дальнем конце помещения, куда не доходит воздушная струя

Обтекание препятствий

Воздушная струя при наличии препятствий на потолке в виде перекрытий, светильников и др., если они расположены слишком близко от диффузора, может отклониться и опуститься в рабочую зону. А потому необходимо знать, какое расстояние должно быть (А на графике) между устройством, подающим воздух, и препятствиями для свободного продвижения струи воздуха.


Рис. 17. Минимальное расстояние до препятствия

Установка нескольких воздухораспределителей

Если один потолочный диффузор предназначен для обслуживания всего помещения, он должен быть размещен как можно ближе к центру потолка, и общая площадь не должна превышать размеров, указанных на рис. 18.


Рис. 18. Небольшое помещение, вентилируемое одним потолочным диффузором

Если помещение большое, необходимо разделить его на несколько зон, и в каждой зоне поместить по диффузору.



Рис. 19. Большое помещение, вентилируемое несколькими потолочными диффузорами

Помещение, вентилируемое несколькими настенными диффузорами, также делят на несколько зон. Количество зон зависит от растояния между диффузорами, достаточного для предотвращения воздействия друг на друга. Если два воздушных потока смешиваются, получается один поток с большей длиной струи.


Рис. 20. Большое помещение, вентилируемое несколькими настенными диффузорами

Подача теплого воздуха

Горизонтально подаваемый потолочным диффузором теплый воздух хорошо обогревает помещения с высотой потолков до 3,5 метров, повышая комнатную температуру на 10-15°С.


Рис. 21. Горизонтальная подача воздуха потолочным диффузором

Однако в очень высоких помещениях подаваемый воздух должен быть направлен вертикально вниз, если он используется и для обогрева помещения. Если разница температур не более 10°С, то воздушная струя должна опуститься примерно до 1 м от пола, чтобы температура в рабочей зоне стала комфортной.


Рис. 22. Вертикальная подача воздуха потолочного диффузора

Подача холодного воздуха

Если подаваемый вдоль потолка воздух холоднее воздуха в помещении, важно, чтобы скорость воздушной струи была достаточно высока, чтобы обеспечить ее прилегание к потолку. Если ее скорость будет слишком мала, существует риск того, что тепловая энергия может направить воздушную струю вниз к полу слишком рано.

На определенном расстоянии от диффузора, подающего воздух, воздушная струя в любом случае отделится от потолка и отклонится вниз. Это отклонение случится быстрее для воздушной струи, которая имеет температуру ниже комнатной, а потому в этом случае длина струи будет короче.


Рис. 23. Разница между длиной изотермической и неизотермической струй.

Воздушная струя должна пройти, по крайней мере, 60 % глубины помещения, прежде чем отделиться от потолка. Максимальная скорость воздуха в рабочей зоне будет, таким образом, почти такой же, как и при подаче изотермического воздуха.

Как расчитать точку отрыва воздушной струи от потолка указано ниже.

Когда температура подаваемого воздуха ниже комнатной, воздух в помещении будет до некоторой степени охлаждаться. Приемлемый уровень охлаждения (известный как максимальный эффект охлаждения) зависит от требований к скорости воздуха в рабочей зоне, от расстояния до диффузора, на котором воздушная струя отделяется от потолка, и также от типа диффузора и его местоположения.

В общем, большая степень охлаждения достигается при использовании потолочного, а не настенного диффузора. Это происходит потому, что потолочный диффузор распространяет воздух во всех направлениях, а потому ему требуется меньше времени для смешивания с окружающим воздухом и для выравнивания температуры.



Правильный выбор воздухораспределителя

Воздухораспределители могут крепиться либо на потолок, либо на стену. Они часто оборудованы соплами или имеют перфорацию, что облегчает подмешивание окружающего воздуха в воздушный поток.

Сопловые диффузоры являются наиболее гибкими устройствами, поскольку допускают индивидуальную настройку каждого сопла. Они идеальны для подаваемого воздуха, температура которого значительно ниже температуры в помещении, особенно если они установленны на потолке. Модель распределения может изменяться путем поворота сопел в различных направлениях.

Диффузоры с перфорацией дают положительный эффект там, где температура воздушной струи существенно ниже температуры окружающего воздуха. Они не так гибки, как сопловые диффузоры, но при помощи экранирования подаваемого воздушного потока в различных направлениях можно изменить модель распределения.

Настенные решетки имеют большую длину струи. Они имеют ограниченные возможности для изменения модели распределения и не очень подходят для подаваемого воздуха, имеющего температуру значительно ниже температуры окружающего воздуха.