20.10.2008. Системы вытесняющей вентиляции

Самые распространенные системы вентиляции для промышленных зданий в последние время – это системы вытесняющей вентиляции. Рассмотрим типы, область применения, принципы проектирования таких систем на основе опыта США.

Почти все системы вентиляции и системы кондиционирования воздуха в США по принципу действия можно отнести к перемешивающему (Mixing Ventilation, MV) типу. Принцып работы такой системы - приточный воздух смешивается с воздухом помещения, в результате устанавливается равномерное распределение температуры, относительной влажности и концентрации загрязнений по всему объему вентилируемого помещения. Системы вентиляции вытесняющего типа (Displacement Ventilation, DV) отличаются тем, что создают некоторую неравномерность температуры и концентрации загрязнений внутри помещения.

Существует некая классификация таких систем по их техническим характеристикам.

Предлагается следующая классификация систем вентиляции вытесняющего типа:

• Системы вентиляции, формирующие однонаправленный поток с низкой турбулентностью. Подача и удаление воздуха происходит с малой скоростью через приточные и вытяжные устройства с большой поверхностью, например, перфорированные панели. Поток вохдуха в таких системах может быть как вертикальным (воздух подается через потолок и удаляется через пол или наоборот), так и горизонтальным (воздух подается через одну стену, а удаляется через противоположную). Приточные и вытяжные отверстия при этом равномерно распределены по потолку, полу или стенам. Создается практически равномерный поток, движущийся как поршень через все помещение.

• Системы вентиляции с приточными воздуховодами, проложенными под полом, и воздухораспределителями в полу, обеспечивающими быстрое затухание приточной струи. За счет внутренних тепловыделений воздух подогревается, поднимается вверх и удаляется из верхней зоны помещения.

• Низко-импульсные системы подачи охлажденного воздуха с воздухораспределителями, расположенными на уровне потолка или на высоте около 3 м. Обладая более высокой удельной плотностью, охлажденный воздух опускается по направлению к рабочей зоне, подмешивая некоторое количество воздуха помещения, распространяется вдоль пола, затапливает нижнюю зону помещения. Воздух помещения, нагретый от внутренних источников тепла, поднимается вверх и удаляется из верхней зоны. Небольшой объем подмешивания окружающего воздуха к приточным струям позволяет ограничить перенос загрязнений в рабочую зону. Такие системы вентиляции обеспечивают более эффективное удаление теплоизбытков и загрязнений, чем перемешивающие системы.

• Системы вентиляции, в которых охлажденный воздух с малыми скоростями подается через воздухораспределители со специальными соплами, установленными выше рабочей зоны, а удаление воздуха происходит из нижней зоны. Загрязненный воздух рабочей зоны прижимается к полу потоком вышележащего приточного воздуха и вытесняется по направлению к напольным вытяжным отверстиям. Такая система обеспечивает стратификацию температуры и концентрации загрязнений выше уровня установки воздухораспределителей и препятствует попаданию загрязнений в воздух рабочей зоны.

• Системы вентиляции, в которых приточный охлажденный воздух с малой скоростью подается непосредственно в рабочую зону, а удаляется из верхней зоны. Подача воздуха осуществляется параллельно полу, при этом вблизи пола формируется слой относительно холодного чистого воздуха. Источники тепла в рабочей зоне создают восходящие конвективные потоки нагретого воздуха, к которым подмешивается воздух рабочей зоны. Таким образом, теплый загрязненный воздух накапливается в верхней зоне помещения и удаляется через расположенные там вытяжные устройства. Приточные струи с низким уровнем турбулентности подсасывают небольшое количество окружающего воздуха и не способствуют перемешиванию верхней и нижней зон. Стратификация загрязнений обеспечивает высокое качество воздуха в рабочей зоне практически без увеличения эксплуатационных затрат.

Пассивные термовытесняющие системы – это первые системы вентиляции вытесняющего типа, которые получили широкое распространение в промышленных зданиях Скандинавии за последние 30 лет. Они до сих пор остаются наиболее распространенными системами этого типа в Европе. С недавних пор область применения этих систем увеличилась за счет офисов и других коммерческих зданий, где наряду с качеством воздуха предъявляются высокие требования к комфорту.

Существует достаточно много способов распределения воздуха. Как выбрать правильный способ воздухораспределения? К числу критериев, используемых для выбора способов воздухораспределения, относятся коэффициенты эффективности удаления теплоизбытков и загрязнений. Другими критериями являются нагрузки по теплу/холоду, и воздухообмен, предельно допустимый по условиям комфорта, или по требованиям производственного процесса.

Использование вытесняющей системы вентиляции обеспечивает наиболее высокую эффективность по удалению теплоизбытков и загрязнений. В системах перемешивающей вентиляции при равномерном распределении температуры и концентрации загрязнений по помещению соответствующее значение эффективности очистки воздуха равно 1. Благодаря первоначальному успешному применению вытесняющей системы вентиляции стали широко применяться в Европе.

Рассмотрим область применения и принципы проектирования традиционной системы вытесняющей вентиляции. Область применения таких систем достаточно широкая. К главным преимуществам вытесняющей системы вентиляции относятся высокое качество и малая подвижность воздуха почти во всем объеме рабочей зоны. Эффективность вытесняющей системы вентиляции особенно велика в том случае, когда тепло и загрязнения поступают в помещение от единого источника. Если источник загрязнений не выделяет тепла и находится в стороне от тепловых источников, формирующих восходящие конвективные потоки, или эти потоки не обладают достаточной мощностью и не достигают уровня стратификации, вызванного температурным градиентом, то рабочая зона может оказаться сильно загрязненной. Когда речь идет о вытесняющей вентиляции, необходимо обязательно значить и учитывать следующее:

 Система работает наилучшим образом при высоте помещения более 3 м.

 Не рекомендуется применение вытесняющей системы вентиляции, если рядом с источником загрязнения не находится источник тепла, обладающий достаточной мощностью для формирования восходящих конвективных потоков, способных переносить загрязнения за пределы рабочей зоны.

 Температура приточного воздуха не может превышать расчетную температуру воздуха помещения.

 Большие нагрузки по охлаждению не могут быть реализованы вследствие ограничения по охлаждению приточного воздуха.

 Активная физическая работа в зоне действия вытесняющей системы вентиляции может уменьшить эффективность удаления теплоизбытков и загрязнений. Практический опыт показал, что вытесняющая вентиляция малоэффективна в кузовных и сварочных цехах, где широко применяются автоматы, так как движение кузовов автомобилей и перемещение автоматических манипуляторов нарушает стратификацию температуры и концентрации загрязнений по высоте помещения и, таким образом, сводит на нет преимущества вытесняющей вентиляции.

Существуют некоторые принципы, по которым проектируют системы вентиляции. Рассмотрим их. Проектирование систем вытесняющей вентиляции основано на аналитических расчетах или на использовании компьютерных аэродинамических моделей. Опыт показывает, что аналитический метод позволяет получить сравнительно простую методику расчета, которая дает хорошие результаты для большинства случаев. При использовании аналитического метода проектировщик должен определить:

 расход воздуха, подаваемый приточной системой;

 распределение температур и концентраций загрязнений;

 конвективные потоки над источниками тепла в условиях стратификации;

 эффективность системы вытесняющей вентиляции.

Следующим шагом является выбор воздухораспределителей. Подбор воздухораспределителей производится на основе следующих величин:

 Расхода приточного воздуха, м3/с.

 Перепада температур приточного воздуха и воздуха помещения, который, обычно ограничен величиной 3–4°C для коммерческих зданий, если в системе вытесняющей вентиляции используются обычные воздухораспределители; или 5–6°C, если используются эжекционные воздухораспределители.

 Величины «ближайшей» зоны допустимого расстояния от воздухораспределителя до ближайшего рабочего места. Эта величина зависит от места размещения воздухораспределителей..

 Акустических ограничений (уровня шума).

Далее следует определить тип воздухораспределителя Конструкция и форма воздухораспределителя оказывает существенное влияние на тепловой комфорт в рабочей зоне и на минимально допустимое расстояние до ближайшего рабочего места. Неудачно спроектированный воздухораспределитель может создавать зону с недопустимо высокой подвижностью воздуха (более 0,2 м/с) величиной в несколько метров. В помещениях с большой нагрузкой по охлаждению предпочтительно использование воздухораспределителей эжекционного типа. Важно отметить, что эжекционные воздухораспределители способны создавать дискомфорт в случае применения в системах вентиляции с переменным расходом (VAV). Для эжекции (подсоса) воздуха помещения требуется определенный минимальный расход воздуха в приточной системе. Для предотвращения сквозняков рекомендуется использовать специальные воздухораспределители с внутренними соплами, направляющими воздух в стороны (вдоль стен).

Если тип воздухораспределителей уже выбран, то необходимо определить их количество. Во всех случаях по условиям комфорта и эффективности лучше использовать большое количество малых воздухораспределителей, чем малое количество более крупных. Если есть возможность выбора, можно использовать воздухораспределители различной формы.

Теперь можно произвести общую оценку производительности вытесняющей системы вентиляции. В отличие от смесительной системы вентиляции, для проектирования вытесняющей системы вентиляции существенным является вопрос определения ядра приточной струи. Хотя скорость выпуска воздуха в таких системах, как правило, меньше, чем в смесительных, вблизи воздухораспределителей может ощущаться неприятное дутье. Сочетание низкой скорости выпуска воздуха, перепада температур по притоку 2–40С и сравнительно большой поверхности воздухораспределителей может привести к тому, что значение критерия Архимеда окажется значительно выше, чем для смесительных систем. Влияние гравитационных сил в системах вытесняющей вентиляции может привести к изменению профиля скоростей в струе. Вследствие трансформации поля скоростей приточной струи на некоторых участках у пола может обнаруживаться превышение скорости по сравнению с первоначальной, с последующим затуханием. Чем больше перепад температур в приточной струе, тем большей может быть трансформация поля скоростей и, соответственно, тем сильнее возрастает скорость у поверхности пола.