Достоинства и преимущества вытесняющей вентиляции

Помимо температуры, влажности и подвижности воздуха, для сохранения здоровья и работоспособности людей большое значение имеет его качество, характеризуемое содержанием в воздухе вредных для здоровья газов и запахов.

В отечественной практике проектирования СКВ и систем приточно-вытяжной вентиляции получили широкое применение схемы организации воздухообмена с подачей приготовленного в приточных агрегатах наружного воздуха в верхнюю зону помещения.

Выделяющиеся от людей газы, водяные пары и теплота имеют температуру, равную температуре организма человека, которая при здоровом его состоянии равна 36,6 °C. В теплый период года в обитаемой зоне помещения комфортная температура воздуха от работы СКВ поддерживается t_в = 24–25 °C при относительной влажности воздуха ?_в = 40–60 %.

Массовая плотность воздуха при этих параметрах равна ρв = 1,19 кг/м³. Массовая плотность поступающих при выдохе, при испарении с поверхности кожи и влажной одежды водяных паров, при температуре тела человека tчел = 36,6 °C, составит ρ_пар = 1,12 кг/м³. Для водяных паров, газов и запахов, выделяющихся от человека, по сравнению с воздухом в зоне обитания людей, создается градиент массовых плотностей:

Δρ = ρ_в – ρ_пар = 0,07 кг/м³.

Наличие градиента потенциалов обуславливает конвективные восходящие потоки водяных паров, вредных газов, запахов, избыточной теплоты, из зоны обитания людей под потолок помещения. Отделочные материалы на поверхности строительных конструкций, мебели, служебного и бытового оборудования выделяют вредные газы, которые подхватываются восходящими конвективными потоками, поэтому под потолком собирается наиболее загазованный, влажный и отепленный воздух. Поэтому вытяжные системы проектируются для забора вытяжного воздуха от мест наибольшего скопления вредностей.

В служебных помещениях, зрительных залах, выставочных павильонах, магазинах и других общественных зданиях газовые вредности стремятся удалить через вытяжные отверстия, устраиваемые под потолком помещений.

К сожалению, до настоящего времени подача в помещения приготовленного приточного наружного воздуха, в объеме, соответствующем санитарной норме, также осуществляется под потолком через смонтированные в верхней зоне помещений воздухораспределительные устройства различной конструкции. Приточный воздух, через приточные устройства, направляется сверху вниз в зону нахождения людей, навстречу восходящим потокам вредностей, поднимающимся из зоны нахождения людей, мест расположения работающего оборудования и мебели. Поступающий через приточные устройства наружный воздух, с содержанием вредностей менее предельно допустимых концентраций (ПДК) [1], опускаясь в зону нахождения людей, встречается с поднимающимися под потолок потоками вредностей и смешивается с ними. Поэтому схему организации воздухообмена при притоке и вытяжке в верхней зоне помещений называют «смесительной вентиляцией».

Изменение параметров воздуха при различных схемах организации воздухообмена предложено оценивать по трем следующим показателям [2]. Показатель изменения температур воздуха:

показатель изменения влагосодержания воздуха:

и показатель изменения концентрации вредного газа в воздухе:

где t_y, d_y, c_y — температура, влагосодержание, концентрация вредных газов в удаляемом вытяжной вентиляцией воздухе; t_в, d_в, c_в — температура, влагосодержание, концентрация вредных газов в воздухе в зоне нахождения людей; t_п, d_п, c_п — температура, влагосодержание, концентрация вредных газов в приточном воздухе, соответственно.

В схеме смесительной вентиляции в теплый период года имеет место соотношение параметров воздуха:

t_y = t_в > t_п; d_y = d_в > d_п; c_y = c_в > c_п,

поэтому при вычислении по формулам (1)–(3) показатели будут равны 1.

Начиная с 1990-х годов, в зарубежной технической литературе и производимом оборудовании наметилось большое предпочтение организации воздухообмена в помещениях по схеме «приток в зону нахождения людей и вытяжка под потолком», которая получила название «вытесняющей вентиляция».

Для схемы вытесняющей вентиляции соотношение параметров воздуха имеет следующее принципиальное отличие:

t_y > t_в > t_п; d_y > d_в > d_п; c_y > c_в > c_п.

При смесительной вентиляции загазованность воздуха в обитаемой людьми зоне помещения cв в несколько раз выше загазованности приточного воздуха c_п, так как c_в = c_у.

В схеме вытесняющей вентиляции достигается содержание вредных газов в воздухе обитаемой зоны и поступающем для дыхания людей cв, по величине близко к нормам предельно допустимых концентраций (ПДК), которые приведены в таблице в работе [1].

Возможность обеспечения санитарно-гигиенических норм воздуха, поступающего для дыхания людей, и определяет важные преимущества вытесняющей вентиляции.

За последние 11 лет тарифы на отопление и горячее водоснабжение для рядовых потребителей возросли в 10 раз! Это вызывает рост недовольства среди граждан, особенно это характерно для одиноких пенсионеров, для которых оплата за тепло требует расхода значительной доли пенсий. Для сокращения расхода тепла на отопление зданий действуют и реализованы требования СНиП по теплозащите зданий [3]. В табл. 4 СНиП [3] приведены величины нормируемых значений сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций.

Так, например, для климата Москвы нормируемое значение сопротивления теплопередаче стен — 3,2 м²⋅°C/Вт, окон, балконных дверей витрин и витражей — только 0,5 м²⋅°C/Вт. Следовательно, потери тепла через 1 м² наружной стены современного здания в пять раз меньше, чем потери через остекление. Особенно велики теплопотери через стеклянные фасады современных высотных офисных зданий. В настоящее время разработано и производится новое оборудование, позволяющее осуществить схему вытесняющей вентиляции с одновременным снижением до 40 % потерь тепла через остекление окон и стен [2]. Принцип сокращения теплопотерь через остекление при схеме вытесняющей вентиляции заключается в организации поступления теплого воздуха из верхней зоны помещения на холодную поверхность остекления. Это обеспечивает нагрев холодного стекла и, соответственно, снижение теплопотерь из помещения. Из формулы (1) следует, что при осуществлении воздухообмена по схеме вытесняющей вентиляции, под потолок помещения вытесняется нагретый воздух, температура которого tу на 4–6 °C выше, чем температура воздуха tв в зоне обитания людей.

Для современных общественных зданий типа офисов, банков, торговых центров и др., в рабочие часы характерно применение оборудования, потребляющего значительное количество электроэнергии. Как известно, потребленная оборудованием электроэнергия переходит в тепло. Тепло от служебного оборудования поступает в зону его применения людьми. При организации воздухообмена по схеме вытесняющей вентиляции это избыточное тепло, в количестве до 60 % от выделяемого тепла, вытесняется под потолок помещения. Температура воздуха под потолком помещения вычисляется по формуле:

t_y = t_в + K_Lt(t_в – t_п), °C. (4)

Формула (4) получена путем преобразования формулы (1). Для вычисления температуры tу необходимо определить величины показателей, входящих в формулу (4). Температура воздуха в зоне нахождения людей tв в холодный период года нормируется требованиями обеспечения теплового комфорта для людей. В офисах, банках, жилых зданиях в холодный период года комфортная температура воздуха в зоне обитания людей рекомендуется на уровне t_в = 20–22 °C. Температуру t_п приточного воздуха, подаваемого в зону обитания людей, по условиям теплового комфорта, рекомендуется принимать с учетом допустимого по санитарным нормам перепада температур: t_п ≤ t_в – 3, °C. Для нахождения величины показателя K_Lt профессор, д.т.н. О. Я. Кокорин предложил [2] использовать график зависимости величины K_Lt от отношения явных тепловыделений, воспринимаемых в зоне обитания людей, к общим тепловыделениям в этой зоне. Используя экспериментальные замеры, он построил график зависимости показателя K_Lt, который опубликован в работе [2]. Для офисных помещений величина показателя K_Lt может быть принята равной 2. Тогда, для комфортного воздухораспределения по схеме вытесняющей вентиляции в офисном помещении получим температуру воздуха под потолком помещения:

t_у = 20 + 2 × (20 – 17) = 26 °C.

В рабочие часы, при организации воздухообмена по схеме вытесняющей вентиляции, под потолок служебного помещения вытесняется загазованный, влажный воздух с температурой t_у = 26 °C. Этот воздух нагревает конструкции потолка, которые изготавливаются из материалов, поглощающих значительное количество тепла.

Поглощенное тепло приводит к повышению температуры материала, из которого сделано перекрытие.

В ночные часы людей в помещении нет. Значительно снижаются выделения тепла, влажности и вредных газов. Нет тепловыделений от служебного оборудования, которое отключается от потребления электроэнергии в часы отсутствия работающих на нем людей. Однако, нагретый в дневные рабочие часы потолок с температурой t_пот = 26 °C остается как аккумулятор дневных теплоизбытков. Схема вытесняющей вентиляции позволяет полезно использовать накопленное потолочными конструкциями тепло.

При применении энергосберегающего оборудования, разработанного и производимого в последние годы [2], в ночные часы накопленное в потолочных конструкциях тепло используется для отопления и нагрева холодного остекления. Таким образом, теплопотери помещения через остекление снижаются до 40 %. Это обеспечивает значительные экологические, энергетические и экономические преимущества схемы вытесняющей вентиляции.

1. Ливчак И.Ф. Инженерная защита и управление раз- витием окружающей среды. — М.: Колос, 2001.
2. Кокорин О.Я. Современные системы кондициони- рования воздуха. — М.: Физматлит, 2003.
3. СНиП 23-02–2003. Тепловая защита зданий. — М.: Госстрой РФ, 2004.