Анализ систем перемешивающей и вытесняющей вентиляции (предпосылки для выбора)



В настоящее время появилось большое количество отечественных и зарубежных публикаций, в которых говорится о преимуществах систем вытесняющей по сравнению с системами перемешивающей вентиляции, о высокой эффективности, и экономичности систем первого типа.

В данной статье делается попытка рассмотреть достоинства и недостатки применения этих систем и дать объективную оценку их эффективности и сфер.

Вытесняющая вентиляция

Под вытесняющей вентиляцией понимается такая схема организации воздухообмена, которая обеспечивает максимально беспрепятственное развитие восходящих конвективных потоков над источниками тепловыделений в верхнюю зону помещения. Удаление нагретого и загрязненного воздуха из помещения осуществляется из верхней зоны помещения, а приток чистого, холодного воздуха в нижнюю зону помещения на уровне пола [1].

При использовании вытесняющей вентиляции возможно обеспечение отличного качества воздуха рабочей зоны в вентилируемом помещении. Однако для достижения этого необходимо соблюдение следующих условий:

‒ Вредности, выделяемые в обслуживаемом помещении, должны иметь плотность меньшую, чем плотность находящегося в нем воздуха, и температуру большую температуры рабочей зоны. Так как в противном случае, эти вредности будут опускаться в нижнюю часть помещения и постепенно затопляя его, что, в конечном счете, приведет к повышению концентрации вредностей в воздухе рабочей зоны до опасного уровня;

‒ Приточный воздух, подаваемый в нижнюю зону помещения, должен иметь плотность большую, а температуру меньшую, чем воздух рабочей зоны. Только в этом случае приточный воздух, затопляя помещение, не приведет к перемешиванию внутреннего воздуха с конвективными тепловыми потоками, вытесняя загрязненный воздух в верхнюю часть помещения к вытяжному устройству. При нарушении этих условий вентиляция перестает работать как вытесняющая. В этом случае теплый воздух, выходящий из воздухораспределителя с низкими скоростями, сразу же поднимется, за счет разности плотностей в верхнюю часть помещения, к вытяжному устройству и будет удален, практически не создав распределения и циркуляции во всем его объеме (короткое замыкание потока);

‒ В летний период для стабильной работы вытесняющей вентиляции необходимо обязательное использование холодильных машин, для охлаждения приточного воздуха ниже температуры рабочей зоны;

‒ Для эффективной борьбы с выделяющимися вредностями необходима большая высота обслуживаемого помещения. В помещениях с низкими потолками возможно повышение концентрации вредностей в зоне дыхания человека;

‒ Для качественной работы вытесняющей вентиляции необходимо иметь большое свободное пространство для размещения воздухораспределителей, размер которых по сравнению с обычными предназначенными, для перемешивающей вентиляции, увеличивается в несколько раз, так как воздух подается в нижней части помещения с низкими скоростями;

‒ Для качественной работы вытесняющей вентиляции необходима низкая подвижность воздуха в помещении. Большая подвижность может привести к перемешиванию слоев воздуха с разными концентрациями вредностей, находящихся на разных высотах, в результате чего система перестает работать как вытесняющая;

‒ Для стабильной работы вытесняющей вентиляции необходимо чтобы в помещении находилось минимальное количество мебели, оборудования, занимающего большой объем, к тому же они не должны находиться вблизи выпускных воздухораспределителей;

‒ При использовании вытесняющей вентиляции возникает необходимость в установке дорогостоящего малошумного вентиляционного оборудования и дополнительных шумоглушителей. Данная система должна работать при низких скоростях в воздуховодах, что приведет к дополнительным металлозатратам;

‒ Для монтажа системы необходимо использование специальных дорогостоящих воздухораспределителей;

Качество внутреннего воздуха и степень использования приточного воздуха в помещении при использовании вытесняющей вентиляции в сравнении с перемешивающей вентиляцией можно оценить с помощью показателя использования приточного воздуха, который предлагается в качестве является показателя эффективности воздухообмена [2].

Показатели использования приточного воздуха:

По температуре:

(1)

По концентрации:

(2)

где: , — соответственно температура и концентрация вредностей в удаляемом воздухе, ⁰С, кг/м³; , — соответственно температура и концентрация вредностей в приточном воздухе, ⁰С, кг/м³; , — соответственно температура и концентрация вредностей в воздухе рабочей зоны, ⁰C, кг/м³;

В свою очередь воздухообмен в помещении согласно [3], определяется также по энтальпии и влаговыделению. Тогда показатель использования приточного воздуха можно записать также по энтальпии и влагосодержанию:

по энтальпии:

(3)

по влаге:

(4)

где: , — соответственно энтальпия и влагосодержание удаляемого воздуха, кДж/кг, г/кг; , — соответственно энтальпия и влагосодержание приточного воздуха, кДж/кг, г/кг; , — соответственно энтальпия и влагосодержание воздуха рабочей зоны, кДж/кг, г/кг;

Из формул (1–4) видно, что коэффициент воздухообмена тем выше, чем большие значения температуры, концентрации и вредностей, энтальпии и влаги имеет удаляемый воздух, и чем ближе эти величины в воздухе рабочей зоны к параметрам приточного воздуха.

В виду того, что концентрация вредностей в помещении при вытесняющей вентиляции имеет больший градиент (различие концентраций по высоте), ее минимальное значение наблюдается в рабочей зоне, а максимальное в воздухе, удаляемом из верхней части помещения, величина показателя использования приточного воздуха при вытесняющей вентиляции будет больше, чем при перемешивающей.

Рис. 1 Схема подачи и удаления воздуха при организации вытесняющей вентиляции: t, d, I, , L, С -соответственно температура, влагосодержание, энтальпия, расход и концентрация вредностей в воздухе, индексы п, в, у — соответственно для приточного, вытяжного, удаляемого

В качестве недостатков вытесняющей вентиляции можно назвать следующее:

‒ Низкий перепад температур приточного воздуха и воздуха рабочей зоны, который согласно [3] для жилых, общественных и административно-бытовых помещений допустимое отклонение температуры не должно превышать t₂=2 ⁰С;

‒ Низкая скорость выхода воздуха через воздухораспределители. Вследствие чего воздухораспределители для вытесняющей вентиляции имеют большие размеры, чем воздухораспределители для перемешивающей вентиляции, при том же расходе проходящего через них воздуха. К тому же размещать их необходимо в рабочей зоне, тем самым, загромождая большие полезные площади;

‒ Необходимость обязательного использования искусственного холода в теплый период, что вызывает дополнительные энергетические и капитальные затраты;

‒ Невозможность работы при отрицательных тепловых нагрузках, когда требуется догрев помещении с помощью систем вентиляции;

‒ Невозможность работы при выделяющихся вредностях, имеющих плотность большую, чем плотность приточного воздуха;

‒ Возможность образования сквозняка у воздухораспределителя;

‒ Большая вероятность разрушения эффекта затопления помещения приточным воздухом при перемещении людей, открывании окон, движении каких-либо частей оборудования, в результате чего вытесняющая вентиляция начинает работать как перемешивающая;

‒ Низкая эффективность вентиляции в помещениях малой высоты, вследствие чего концентрация вредностей в зоне дыхания человека может достигнуть опасных значений;

‒ Возможность подъема пыли с пола помещения и попадание ее в зону дыхания человека. Это ограничивает ее область применения для запыленных помещений;

‒ Необходимость использования дорогого малошумного оборудования дополнительных шумоглушителей, в виду нахождения воздухораспределителей в рабочей зоне;

‒ Сложность регулирования и повышенная чувствительность системы автоматики в виду малого перепада температур;

‒ Невозможность использования рециркуляции, так как при ее использовании исчезают плюсы данного типа вентиляции, а именно чистота воздуха;

‒ Невозможность работы на обогрев помещения;

‒ Слабый напор, недостаточный для перетока воздуха в другие помещения;

‒ Большой перепад температур по высоте помещения;

‒ Сложность совмещения с излучающими панелями и отопительными приборами;

‒ Низкая подвижность воздуха в помещении;

‒ Сложность работы в помещениях больших размеров;

‒ В виду своих особенностей ограниченная область применения;

‒ Дополнительные потери энергии при отсутствии тепловыделений в помещении в зимний период, так как возникает необходимость в перегреве воздуха помещения системой отопления, чтобы охлаждать его приточным воздухом, так как для работы перемешивающей вентиляции приточный воздух должен иметь температуру ниже внутренней;

Хотя в [1] и говорится о возможности уменьшения кол-ва приточного воздуха, приходящегося на одного человека, при использовании вытесняющей вентиляции, в нашей нормативной литературе эта величина фиксированная, и составляет 60 м³/ч на человека при подаче на постоянное рабочее место, независимо от типа применяемой системы [3]. В таком случае при подаче одного и того же количества приточного воздуха, приходящегося на одного человека, стоимость оборудования для вытесняющей вентиляции оказывается в несколько раз больше, чем перемешивающей;

Перемешивающая вентиляция

Перемешивающей называется вентиляция, при организации которой происходит растворение вредностей, выделяющихся в помещении в результате перемешивания приточного воздуха с воздухом помещения. В результате перемешивания часть получившейся смеси удаляется из помещения, а оставшаяся часть участвует в дальнейшем процессе перемешивания.

Величина кратности воздухообмена при перемешивающей вентиляции является величиной условной, так как не весь воздух, находящийся в помещении, заменяется на свежий приточный воздух. При перемешивающей вентиляции воздух помещения, перемешавшись с чистым образует смесь, часть которой удаляется вытяжной вентиляцией, а другая част смеси остается в помещении.

Как следует из определения при перемешивающей вентиляции концентрация вредностей и градиент температуры в воздухе помещения практически постоянны, кроме случая организации воздухообмена снизу-вверх.

Показатели использования приточного воздуха при перемешивающей вентиляции всегда меньше, чем при вытесняющей вентиляции.

Достоинства перемешивающей вентиляции:

‒ Уменьшается использование полезной площади помещения в виду небольших габаритов воздухораспределителей и больших скоростей на выходе из них;

‒ Снижается расход металла для воздуховодов, так как возможно увеличение скорости воздуха в них;

‒ Увеличивается перепад температур приточного воздуха и воздуха рабочей зоны, в виду установки воздухораспределителей на большей высоте;

‒ Уменьшается температурный градиент по высоте помещения, в виду постоянного перемешивания внутреннего воздуха;

‒ Становится возможной организация воздухообмена практически в любом помещении, с большой подвижностью воздуха, и занятостью оборудованием, мебелью, и т. д.;

‒ Возможна работа системы в летний период без использования искусственного холода;

‒ Используется более дешевое и доступное оборудование по сравнению с оборудованием для вытесняющей вентиляции;

‒ Упрощается система автоматики, расширяются возможности регулирования перемешивающей вентиляции, поскольку возможно как качественное, так и количественное регулирование.

‒ Возможность борьбы с вредностями любой плотности и температуры, установка местных локализирующих устройств от мест образования вредностей;

‒ Снижается потребление энергии в зимний период, так как борьба с частью теплоизбытков возможна путем снижения мощности системы отопления и подачи воздуха комнатной температуры;

‒ Простота монтажа и обслуживания систем вентиляции;

‒ Возможно использование рециркуляции воздуха с целью экономии энергоресурсов;

‒ Возможна организация перетока воздуха в другие помещения, а также небольшого дисбаланса, для «чистых помещений», (в которых контролируется концентрация взвешенных в воздухе частиц и которое используется так, чтобы свести к минимуму поступление, выделение и удержание частиц внутри помещения, и в котором, по мере необходимости, контролируются другие параметры, например, температура, влажность и давление) и «грязных помещений» (в которых выделяется большое количество вредных веществ);

‒ Возможность использования системы для обогрева помещения в зимний и охлаждения в летний период;

‒ Имеется возможность совместной работы с любыми типами охлаждающего и обогревающего оборудования;

Недостатки перемешивающей вентиляции:

• Основным недостатком при перемешивающей вентиляции является качество внутреннего воздуха, которое всегда ниже качества воздуха при вытесняющей вентиляции, в виду равномерности концентраций вредности по высоте помещения;

Рис. 2 Организация воздухообмена при перемешивающей вентиляции сверху-вверх: t, d, I, , L, С -соответственно температура, влагосодержание, энтальпия, расход и концентрация вредностей в воздухе; индексы п, в, у — соответственно для приточного, вытяжного, удаляемого

Плата за чистоту воздуха при использовании вытесняющей вентиляции непомерно высока, и несоизмерима с применением перемешивающей вентиляции, в виду этого она будет находить ограниченное применение. Основная сфера применения вытесняющей вентиляции относится к помещениям, к которым предъявляются особые требования по чистоте.

Заключение

Специалисты, занимающиеся проектированием вентиляции, должны тщательно анализировать и учитывать в технико-экономических расчетах достоинства и недостатки сравниваемых систем.

На данный момент требуется разработка инженерных методик и математического обеспечения для расчета вытесняющей вентиляции, адаптированных к нормативам РФ.

Литература:

1. 1.Хакон Скистал, Элизабет Мундт, Питер Нильсен, Ким Хагстрем, Йорма Райлио «вытесняющая вентиляция в непроизводственных зданиях» / Перевод с английского. — М.:АВОК-ПРЕСС. 2003.-100с.
2. 2.Кокорин О. Я. «Современные системы кондиционирования воздуха» — М.: Издательство физико-математической литературы. 2003. — 272с.
3. СНиП 41–01–2003 «Отопление, вентиляция и кондиционирование», Москва 2004.
4. 4.Гримитлин М. И. «Распределение воздуха в помещениях. — М.: Стройиздат. 1982.- 164с.
5. Живов А. М., Peter V. Nielsen, Gerald Riskowski, Шилькрот У. О. «Системы вытесняющей вентиляции для промышленных зданий. Типы, область применения, принципы проектирования» АВОК № 5 2001. с.36
6. G. McDonell «Распределение воздуха под полом и вытесняющая вентиляция. Почему эти системы не одно и то же?» АВОК № 7 2003. с.28
7. А. В. Ливчак «Вытесняющая вентиляция в школах» АВОК № 8 2004. с46.
8. Е. О. Шилькрот «Вытесняющая вентиляция в непроизводственных зданиях» АВОК № 1 2003.