Основы проектирования систем общеобменной вентиляции учебных кабинетов и классов образовательных организаций

Уровень качества воздушной среды классов и кабинетов школ регламентируется рядом действующих документов. Источником, определяющим основные требования к системам и параметрам для расчёта показателей комфортности и энергетической эффективности объекта, требования к конструктивным решениям инженерных систем, является Свод Правил 118.1330.2012 «Общественные здания и сооружения» [1]. К документам, определяющим способы обеспечения основных требований к параметрам, относятся СанПиН 2.4.2.2821-10 «Санитарно-эпидемиологические требования для школ» [2] и ГОСТ Р 30494-2011 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях» [3]. В них содержатся дополнения, уточнения или расширение диапазонов нормативов для расчёта показателей комфортности и энергетической эффективности объекта и требования к конструктивным решениям инженерных систем.

Проанализируем, насколько реально корректное выполнение на практике всех требований и рекомендаций действующих норм. Следуя правилам и методике проектирования вентиляции, рассмотрим величины воздухообмена, необходимого для нейтрализации действия вредных факторов, и выберем в качестве расчётной величину, максимальную из полученных нами.

Раздел 1. Основным критерием оценки качества воздуха в классах и кабинетах, в соответствии с ГОСТ Р 30494-2011, выбрано содержание углекислого газа. Сразу отметим, что в ход этой оценки ГОСТ Р 30494-2011 вносит некоторую неопределённость. Так, пункт 5.1 указанного стандарта гласит: «Качество воздуха в помещениях жилых и общественных зданий обеспечивается... необходимым уровнем вентиляции (величиной воздухообмена в помещениях), обеспечивающим допустимые значения содержания углекислого газа в помещении». С другой стороны, табл. 4 стандарта предусматривает допустимые и оптимальные уровни концентрации газа в зависимости от категории помещения. При этом оценивается не концентрация газа в чистом виде, а превышение её над уровнем содержания в наружном приточном воздухе.

В то же время СанПиН 2.4.2.2821-10 этот вопрос обходит, указывая, что системы вентиляции должны обеспечивать оптимальные значения тепловлажностных параметров воздуха в школьном классе. Косвенно в СанПиН 2.4.2.2821-10 проблема устранения загазованности помещений затрагивается в пункте 4.9. Там отмечается, что: «При проектировании и строительстве общеобразовательных организаций высота помещений и система вентиляции должны обеспечить кратность воздухообмена».

Рассмотрим, как это расхождение в оценках влияет на конечный результат и характеристики вентиляционных систем по всем показателям уровня комфортности микроклимата помещений.

В существующей практике проектирования процесс вентиляции принимается стационарным. Реально он таковым не будет, так как ученики в классе находятся в течение 45 минут, затем обычно помещение проветривается, как это рекомендовано СанПиН 2.4.2.2821-10, и процесс повторяется. Рассмотрим эту ситуацию подробнее на примере класса, в котором находятся 25 учеников и один преподаватель. По классификации, предложенной в работе [3], классная комната относится к категории помещений 2. Объём класса, принятого в качестве базового для анализа, составляет 226 м³, а в помещении находятся 25 + 1 человек. При этих условиях количество выдыхаемого углекислого газа, принятого для расчёта, составит 524 л/ч или 1,03752 кг/ч. В проектах, которые рассматривались в качестве основы для анализа, расчётная величина воздухообмена в среднем составляла 520 м³/ч. Эта величина соответствует минимальному значению величины воздухообмена L_min = 20 м³/ч на одного человека или минимальной кратности воздухообмена К = 2,0 ч^-1, как это указано в Своде Правил 118.1330.2012.

Если принять процесс вентиляции стационарным, то, ориентируясь на рекомендацию ГОСТ Р 30494-2011 по превышению концентрации CO₂ в воздухе класса относительно содержания его в наружном воздухе крупного города, получим для указанных выше условий требуемую величину воздухообмена L: для достижения оптимального высокого качества воздуха в классе, L ≥ 1310 м³/ч; для достижения оптимального среднего качества воздуха в классе, 1310 > L ≥ 873 м³/ч; допустимое качества воздуха в классе будет достигнуто при 873 > L ≥ 524 м³/ч.

Сопоставление полученных результатов с данными СП 118.1330.2012 по величине воздухообмена показывает, что принимаемое разработчиками проектов (в подавляющем большинстве случаев) минимальное значение кратности К = 2,0 ч^-1 способно обеспечить только допустимый уровень качества воздуха в классе. В то же время СанПиН 2.4.2.2821-10 требует обеспечения оптимальных параметров, что может быть достигнуто только при К > 2,0 ч^-1. Как это и продекларировано в Своде Правил 118.1330.2012, где указано, что значение кратности воздухообмена должно быть не менее 2,0 ч^-1.

В реальной ситуации вентиляционный процесс является нестационарным. Это обусловлено режимом эксплуатации помещения и нестационарностью потока выделяющегося углекислого газа. Рассмотрим этот вариант, воспользовавшись методикой, приведённой в работе [5]. Расчётное уравнение, приведённое в [5], имеет экспоненциальный характер. Оно полностью совпадает с результатом решения задачи нестационарных процессов в вентиляции, выполненного ещё профессором С. Б. Лукашевичем [6].

Следует отметить, что уравнение для расчёта параметров процесса накопления газа в вентилируемом помещении предложено и в [7]. Но здесь его запись содержит серьёзную ошибку и не даёт корректного результата.

Преобразуем уравнение, заимствованное из [5], и приведём его к виду, удобному для нашего анализа.

В результате получим:

где K — кратность воздухообмена, ч^-1; p₂ — концентрация углекислого газа в наружном воздухе, мг/м³; p^-₁ = p₁/V₁, здесь р₁ — количество углекислого газа, выдыхаемого учащимися, мг/ч; V₁ — объём помещения, м³; χ_п — концентрация углекислого газа в воздухе класса перед началом урока, мг/м³; χ₁ — концентрация углекислого газа в воздухе класса к концу урока, мг/м³; τ — время, ч.

Дополнительно к уже указанным характеристикам класса назначим начальные значения параметров, необходимых для расчёта: величина воздухообмена составляет 520 м³; содержание углекислого газа в наружном воздухе 891 мг/м³ (450 ppm); содержание углекислого газа в воздухе класса перед началом урока 931 мг/м³ (470 ppm); продолжительность урока 45 минут (0,75 ч); продолжительность перемены 10 или 15 минут (0,167 или 0,25 ч); объёмный вес CO₂ 1,98 кг/м³.

При таких параметрах расчётное содержание СО2 в воздухе класса в конце первого урока может составить 1282 ppm, что меньше среднесменного значения ПДК, равного 4545 ppm, рекомендованного в [4]. В данном случае превышение концентрации газа в классе относительно уровня в наружном воздухе составит 832 ppm. Это опять же соответствует допустимому, а не оптимальному качеству воздуха в помещении. На рис. 1 приведён график, отображающий динамику изменения содержания углекислого газа за период «первый урок — перемена — второй урок — перемена — третий урок» при условиях, принятых выше. На основании этого графика можно считать, что вентиляция класса за время перемены не в состоянии очистить воздух до начального уровня. Накопление CO2 происходит, приближаясь асимптотически к верхнему пределу допустимого уровня.

Решение приведённого выше уравнения относительно K при τ = 0,75 ч и принятых значениях начальных параметров дало следующие результаты. Кратность воздухообмена, при которой обеспечивается оптимальный уровень качества воздуха в базовом классе, должна составлять не менее K = 3,8 ч^-1. Объём приточного воздуха при этом будет не менее 860 м³/ч. Удельный объём наружного приточного воздуха составит не менее 33 м³/ч на одного человека. На рис. 2 построен график изменения содержания CO₂ в воздухе при величине воздухообмена 860 м³/ч. Характер графика не отличается от рис. 1. Но в случае увеличенного воздухообмена накопление CO2 в воздухе класса происходит, приближаясь к верхнему пределу оптимального уровня. График также показывает, что действие вентиляции во время 15-минутной перемены позволяет почти полностью очистить воздух класса от загрязнения углекислым газом. Этот результат следует учитывать при составлении распорядка дня школы.

Уравнение (1) позволяет взглянуть на проблему определения объективной минимальной величины воздухообмена с другой стороны.

Для этого преобразуем параметр p^-₁, входящий в уравнение (1), и представим его следующим образом:

где М₀ — удельные выделения углекислого газа одним человеком, мг/ч; V₁₍₀₎ = V₁/n, где n — количество людей в классе.

В итоге уравнение (1) приобретёт вид:

Здесь χ_п принимается в диапазоне значений, соответствующих условию, указанному в табл. 4 ГОСТ Р 30494-2011:

Δχ_n = (χ_n – p₂) ∈ [400; 600].

Решение уравнения (3) относительно V₁₍₀₎ доказывает, что обеспечение качества воздуха на верхнем пределе оптимального среднего уровня при K = 2,0 возможно только в помещении с удельным вентилируемым объёмом V₁₍₀₎ = 13,84 м³/чел. Отметим, что иногда в классах выполняются подвесные или подшивные потолки. Поэтому при решении вентиляционных задач более корректной будет ориентация не на строительный, а на открытый вентилируемый объём.

Кроме уровня загрязнения воздуха углекислым газом, качество воздушной среды следует оценивать ещё и по параметрам тепловлажностного режима помещения, в котором находятся люди. СанПиН 2.4.2.2821-10 в последней редакции оценивает параметры комфортности для классов и учебных кабинетов следующим образом: температура воздуха в рабочей зоне класса назначается в диапазоне от +18 до +24 °C; относительная влажность воздуха при этих температурах должна находиться в диапазоне от 40 до 60 %, а подвижность воздуха не должна превышать 0,1 м/с. Нельзя не сказать, что здесь мы опять сталкиваемся с внутренними противоречиями в нормативных документах. ГОСТ Р 30494-2011 относит этот диапазон к категории допустимых значений. А СанПиН 2.4.2.2821-10, наряду с требованием обеспечить оптимальный уровень, отсылает проектировщиков к допустимому диапазону.

Расчёты, выполненные для нашего примера с учётом данных справочника [8], привели к следующим результатам, принятым в качестве исходных данных: количество выделяемой полной теплоты Q = 2962 Вт; количество выделившейся влаги W = 1481 г/ч.

Первоначально проведём анализ варианта, характерного для большинства разработанных проектов и отвечающего параметрам базового класса, указанным выше: величина воздухообмена составляет L = 520 м³/ч (K = 2,0 ч^-1); температура приточного воздуха после подогрева равна +18 °C; приращение энтальпии равно 17,42 кДж/кг; приращение влагосодержания воздуха составит 2,37 г/кг;

Построение процессов на i-d-диаграмме с учётом полученных результатов для холодного периода года показано на рис. 3а. На этом рисунке вертикальный луч, заканчивающийся в точке 1, характеризует процесс нагрева наружного воздуха в холодный период до расчётной температуры притока. Луч 1-2 отображает процесс ассимиляции теплоты и влаги при объёме приточного воздуха L = 520 м³/ч. Результат показывает, что в этом случае в ходе эксплуатации объекта требуемое качество воздуха не обеспечивается. Поэтому в дальнейшем анализе будем считать, что расчётная величина воздухообмена по всему комплексу параметров составляет 860 м³/ч. Тогда процесс тепломассообмена пойдёт по лучу 1-3. Наблюдающееся при этом небольшое превышение конечной температуры может быть устранено путём динамичного регулирования теплоотдачи нагревательных приборов в зависимости от температуры воздуха в помещении. Таким образом, восстанавливается баланс тепловых потоков. В условиях рассматриваемого примера теплоотдачу нагревательных приборов следует уменьшить на 0,72 кВт, что позволит выдержать тепловой баланс и понизить температуру воздуха в классе до +22 °C. Тогда луч процесса на рис. 3а пойдёт от точки 1 до точки 4.

Проблематичной выглядит ситуация, складывающаяся при переходных условиях, когда расчётная температура наружного воздуха равна +10 °C. Луч процесса 1-2 на i-d-диаграмме рис. 3б показывает, что расчётный воздухообмен обеспечит выполнение требований нормативов по температуре и влажности воздуха в учебном классе. Но это чисто теоретически и без подогрева приточного воздуха сверх +10 °C. Подавать воздух с такой температурой в помещения общественных зданий не допускается. Поскольку при переходных условиях централизованное теплоснабжение не функционирует, можно было бы использовать электрический воздухонагреватель. Однако это приведёт к росту электрической нагрузки, к увеличению капитальных и эксплуатационных затрат. Кроме того, электрические калориферы, подходящие для рассматриваемых условий по техническим и эксплуатационным параметрам, промышленностью не выпускаются. Имеющиеся на рынке модели будут иметь 100 % запас мощности как минимум.

Обозначенную проблему можно успешно решить, если систему вентиляции организовать на базе приточно-вытяжного агрегата с рекуператором или регенератором теплоты. Особенность алгоритма работы такой системы состоит в управлении температурой воздуха после утилизатора теплоты за счёт изменения соотношения объёмов приточного и удаляемого воздуха L^- = L_y/L_п. Здесь L_п — постоянная расчётная величина объёма приточного наружного воздуха; L_у, — переменный эксплуатационный объём воздуха, удаляемого из помещения. Конкретная величина и диапазон значений соотношения — показатели, индивидуальные для каждого проекта.

Покажем реальность и эффективность подобного мероприятия на следующем примере. Рассмотрим процесс вентиляции блока школьных кабинетов, суммарная расчётная величина воздухообмена в которых равна 6500 м³/ч. Исходные данные, начальные и конечные параметры воздуха примем такими же, как и в предыдущих примерах. В качестве вентиляционной установки примем приточно-вытяжной агрегат Gold с роторным регенератором теплоты.

Заметим, что при удельной величине воздухообмена 33 м³/ч на одного человека агрегат обслуживает семь помещений. Каждый класс вмещает 25 учащихся и одного преподавателя.

Ход процесса вентиляции в этом случае отображается лучами 1-3-4 i-d-диаграммы на рис. 3б. Луч 1-3 показывает, что регенерация теплоты позволит поднять температуру воздуха, подаваемого в класс, с +10 до +17 °C. Для этого следует выдержать дисбаланс между объёмами приточного и удаляемого воздуха на уровне L^- = 0,308. К положительному результату придём, если при L^- = 0,308 примем в качестве базового воздухообмен, равный 860 м³/ч. Это видно из положения луча 3-4 на рис. 3б.

В диапазоне температур наружного воздуха +10...+17 °С соотношение объёмов потоков воздуха будет изменяться от L^- = 0,308 до L^- = 0,0. При температуре наружного воздуха t_н ≥ +17 °С объём удаляемого воздуха станет равен нулю, и возможности данного режима эксплуатации будут полностью исчерпаны. Температура воздуха в классе превысит верхний предел значений, оцениваемых ГОСТ Р 30494-2011 даже в качестве допустимых. Без искусственного охлаждения наружного приточного воздуха дальнейшее выполнение требований нормативов в этой ситуации становится невозможным.

Во всех рассмотренных выше вариантах неблагополучно складывается ситуация с обеспечением нормативного уровня влажности, предусмотренного стандартом ГОСТ Р 30494-2011 и санитарными нормами СанПиН 2.4.2.2821-10. Особенно это проявляется в холодный период года. Диаграмма на рис. 4 демонстрирует расчётную сторону вопроса увлажнения приточного воздуха, подаваемого в класс. Объём приточного воздуха равен 860 м³/ч, остальные условия соответствуют диаграмме рис. 3а. Точка 1 характеризует состояние воздуха после роторного регенератора. Луч 1-2 отображает нагрев воздуха после ротора в калорифере. Легко заметить, что адиабатическое увлажнение в данном случае просто нереализуемо. Наиболее приемлемым во всех отношениях является увлажнение паром. Процесс пароувлажнения показан лучом 2-3. Луч 3-4 относится к процессу ассимиляции теплоты и влаги.

К сожалению, искусственное охлаждение и увлажнение воздуха в школах реализовать не удаётся. Причина заключается в том, что если достойное внимание уделяется технологическому оснащению учебного процесса, то вопросы создания здоровой воздушной среды в классах чаще всего решают по остаточному принципу.

Немалую роль в этом играют Государственные сметные нормативы [9] и ограниченное финансирование эксплуатационных затрат школ. В итоге на второй план отдвигается очень важный показатель — выполнение комплекса санитарно-гигиенических требований по созданию здоровой среды в помещениях, где дети проводят несколько часов в день.

Таким образом, исходя из экономической ситуации, можно утверждать: обеспечение качества воздуха в учебных помещениях, как этого требуют санитарные нормы, в течение учебного года возможно, но ограниченно. Ограничения касаются осеннего и весеннего периодов. Проектную величину воздухообмена следует определять расчётом, а не по кратности, которая во многих случаях превысит минимальную, равную двум обменам в час.

Раздел 2. Выше было показано, что роторные регенераторы теплоты удаляемого воздуха позволяют в значительной степени обеспечить комфортную температуру приточного воздуха при переходных условиях. В холодный период их роль и целесообразность использования неоспоримы. Объёмы использования приточно-вытяжных агрегатов с роторным регенератором в системах вентиляции школ растут. В связи с этим возникает необходимость ещё раз обратиться к защите регенератора от обмерзания в холодный период года. Необходимость такой защиты была аналитически доказана в статье [10].

Наиболее приемлемым способом, предотвращающим обмерзание ротора, является предварительный подогрев наружного приточного воздуха. Различные компании-производители оборудования по-разному оценивают степень преднагрева, ориентируясь в основном на экспериментальные данные своих лабораторий. Математический расчёт составляет лишь малую часть.

Поскольку в разделе 1 уже привлекалась методика расчёта агрегатов Gold, рассмотрим вопрос прогнозирования условий обмерзания и защиты ротора применительно к этим агрегатам. При этом воспользуемся данными, предоставленными компанией «PMвент», выпускающей отечественные аналоги агрегатов Gold.

В соответствии с рекомендациями компании «PMвент», риск замерзания конденсата на пластинах ротора возникает тогда, когда выполняется условие:

где m_ов и Т_ов — масса и температура отработанного воздуха; m_нв и Т_нв — масса и температура наружного воздуха.

Когда расходы приточного и отработанного воздуха равны, уравнение (4) имеет вид:

0,5(T_ов + T_нв) < 5 °C. (5)

Значение температуры Т_ов определяется по программе расчёта вентиляционного агрегата. Поэтому в уравнениях (4) и (5) влажность воздуха в явном виде не фигурирует. Это обстоятельство делает результаты расчётов по формулам (4) и (5) в некоторых случаях неубедительными. Поясним сказанное на примере.

Рассмотрим процессы обработки воздуха в роторе при условиях, характерных для i-d-диаграммы рис. 3а (луч 1-4). Предварительно рассчитаем рабочие параметры ротора по программе ProUnit подбора агрегатов Gold или Silver. Исходные данные примем такие же, как в разделе 1. В результате расчёта по программе имеем: Т_ов = -21,6 °C. Подстановка вычисленного значения Т_ов в формулу (5) дает:

0,5(T_ов + T_нв) = –7 °C < 5 °C.

Это указывает на неизбежность обмерзания ротора (без преднагрева наружного воздуха) во всём возможном диапазоне рабочих параметров агрегата. Проверку сделанного вывода произведём с помощью i-d-диаграммы рис. 5. Сразу же отметим, что эта и построенные далее диаграммы математически точно не отражают ход реальных процессов в теле ротора. Программа, по которой в наших примерах рассчитывается ротор, составлена в основном по результатам экспериментов, проведённых в лаборатории компании Swegon. Кстати, так же поступают все производители роторов. По результатам их исследований в качестве реперной точки для оценки риска обмерзания принимается точка, лежащая на линии φ = 70 %. Это значение так же определено опытным путём и справедливо для всех видов роторов в системах вентиляции. Диаграмма, построенная с учётом сказанного, приведена на рис. 5. Процедура оценки риска замерзания здесь отображена следующим образом.

Первоначально из точки 1, характеризующей состояние удаляемого воздуха, проводится луч до точки 2, лежащей на линии φ = 70 %. Луч 1-2 характеризует процесс сухого охлаждения удаляемого воздуха в некоторой части массива ротора, первой по ходу воздуха. Далее проводится луч от точки 2 до точки с параметрами наружного воздуха. Он пересекает линию φ = 100 % в точке 3, лежащей в области отрицательных температур. Согласно диаграмме состояния водяного пара, в данном случае изменение агрегатного состояния воды произойдёт, минуя жидкую фазу. Происходит десублимация водяного пара, при которой обмерзания ротора не будет.

Водяной пар преобразуется в иней, что неоднократно наблюдалось в процессе эксплуатации роторных регенераторов в условиях пониженной влажности удаляемого воздуха.

Процесс 1-2-3-O₁ характерен для обычного стандартного ротора из алюминия. Нанесение на поверхность металла гигроскопичного или сорбционного покрытия кардинальным образом меняет ход процессов. В этом случае методика, упомянутая выше, рекомендует отображать ход процесса лучом от точки 1 до точки O₂ с параметрами наружного воздуха. Этот луч на всём протяжении лежит выше линии φ = 100 %, что свидетельствует об отсутствии конденсации. Данные диаграммы рис. 5 ослабляют категоричность утверждений, связанных с уравнениями (4) и (5).

Увеличение влажности вызовет перемещение точки 3 вдоль линии φ = 100 % по направлению к тройной точке состояния водяного пара, которая находится вблизи изотермы t = 0 °C. Изменяя значение относительной влажности в точке 1 при постоянной температуре, можно найти предел, когда процесс течения воздуха по каналам ротора будет сопровождаться конденсацией. В этом случае обмерзание неизбежно. Результат последовательного увеличения влажности приводит i-d-диаграмму рис. 5а к виду, изображённому на рис. 5б. Ход процесса по точкам 1-2-3-O₁ убеждает в необходимости принятия мер по защите обычного стандартного ротора. С позиций чисто теоретических для ротора с гигроскопичным или сорбционным покрытием эта необходимость отпадает. Но вблизи тройной точки процесс очень нестабилен. Поэтому для нашего примера полагаем, что в диапазоне t ∈ [-10 °C; +5 °C] даже ротор с покрытием может нуждаться в защите от обмерзания.

Наиболее приемлемым способом защиты признан предварительный подогрев наружного воздуха перед ротором. Рассмотрим, как разработчики роторов предлагают определять температуру, до которой следует нагревать воздушный поток. Задачу решим, полагая значения параметров воздуха в помещении соответствующими нормам. Не углубляясь в обоснование, основной целью будем считать не исключение замерзания конденсата, а предотвращение его образования. Ход решения и значения параметров показаны на рис. 6.

Здесь начальная точка 1 процесса соответствует точке 4 диаграммы, показанной на рис. 4. Первоначально выполним построение диаграммы для обычного стандартного ротора.

В этом случае, по аналогии с построением предыдущих диаграмм, строится луч 1-2. Далее из точки 2 проводим луч, представляющий собой касательную к кривой φ = 100 %. Из точки Oi проводим вертикальную линию до пересечения с касательной в точке 3. Луч O₁-3 характеризует процесс преднагрева приточного наружного воздуха и даёт искомую температуру воздуха перед входом в ротор. Если используется ротор с гигроскопичным или сорбционным покрытием, то процесс представляется в виде касательной к кривой φ = 100 %, начинающейся в точке 1 и заканчивающейся в точке 4. Сопоставление параметров воздуха в точках 3 и 4 показывает, что гигроскопичный (сорбционный) ротор оказывается энергетически эффективнее обычного.

Раздел 3. Задача создания комфортных условий носит комплексный характер, когда одновременно рассматриваются вопросы обеспечения заданного уровня температур, влажности, содержания углекислого газа, шума и подвижности воздуха в рабочей зоне помещения.

Максимально комфортные условия можно обеспечить, организуя распределение воздуха методом ниспадающего потока. Но подобное решение в условиях школ трудно осуществить. Сложность состоит в том, что реализация этого метода будет связана с выполнением сложного и дорогостоящего перфорированного потолка с высокой степенью герметизации.

Определённый интерес представляет вентиляция, действующая по принципу «вытесняющей». Однако этот способ имеет два недостатка. Во-первых, специфические воздухораспределители для вытесняющей вентиляции являются дорогими по сравнению с другими устройствами. Во-вторых, размещение таких воздухораспределителей непосредственно в рабочей зоне неизбежно делает их доступными для вмешательства любознательных детей.

С учётом вышесказанного для дальнейшего анализа были выбраны способы организации воздухообмена с помощью горизонтальных или веерных неизотермических струй, образованных настенными или потолочными воздухораспределителями.

Выбор оптимальной схемы раздачи воздуха и соответствующего ей типа воздухораспределителя целесообразно проводить на основе программ, которые хорошо зарекомендовали себя в проектной практике. Это обеспечит хорошую степень объективности при выборе варианта для конструирования системы. Например, для условий холодного периода года расчёты, связанные с организацией воздухообмена, были выполнены по программе ProAir компании Swegon. Они показали, что большинство моделей воздухораспределителей позволяют поддерживать параметры состояния воздуха в помещении на нормативном уровне.

В качестве базового, как и ранее, был выбран воздухообмен в объёме 860 м³/ч, поскольку только в этом случае можно получить комфортное состояние воздуха в классе по всему комплексу параметров. Исходные данные, начальные и конечные параметры для расчётов приняты такими же, как и в разделе 1. Расчётная подвижность воздуха в рабочей зоне назначалась на уровне v ≤ 0,1 м/с, как это определено СанПиН 2.4.2.2821-10.

Были проанализированы два варианта, отличающиеся способом формирования и направлением истечения струй приточного воздуха.

Первый вариант основан на использовании настенных решёток в качестве воздухораспределителей. Этот вариант чаще всего используют разработчики проекта. Он до предела простой конструктивно и дешёвый по капитальным затратам.

Действия, выполненные для базового значения L = 860 м³/ч, позволили составить схемы потоков, которые показаны на рис. 7. На этих схемах заштрихованы участки струй воздуха, где скорости превышают расчётную величину 0,1 м/с. Расчёты показали, что подача приточного воздуха горизонтально в верхнюю зону помещения может дать положительный результат в части обеспечения средних значений температуры и подвижности воздуха в центральной части объёма класса. Но появляется нежелательная область, где скорости объединённого струйного потока будут превышать расчётные. На рис. 7б она находится ниже верхней отметки рабочей зоны вплоть до уровня пола. Незаштрихованные участки на схемах характеризуются наличием циркуляционных течений. Это обстоятельство и заполнение обслуживаемой зоны рабочими столами создаёт неравномерность значений параметров воздуха в зоне дыхания. Также следует отметить, что при использовании настенных решёток необходимо тщательно оценивать возможное воздействие вытяжных устройств на поток приточного воздуха.

В качестве альтернативной была рассмотрена схема распределения приточного воздуха с помощью потолочных воздухораспределителей, создающих вихревую веерную струю. Итог расчёт и построения картины потоков по программе ProAir компании Swegon показаны на рис. 8. Здесь также заштрихованы зоны течений, в которых скорость воздуха превышает нормативную величину 0,1 м/с. Как видно, данный вариант обеспечивает хорошую степень равномерности распределения приточного воздуха по объёму рабочей зоны без превышения нормативного предела подвижности во всех точках пространства, занятого детьми.

Проанализировав рассмотренные варианты схем организации воздухообмена, можно утверждать, что схема с многодисковыми потолочными воздухораспределителями, формирующими вихревые структуры, наиболее полно удовлетворяет поставленным целям, как в части обеспечения параметров воздуха в классе, так и в части конструирования общеобменной приточно-вытяжной вентиляции.

Выводы

1. Прежде всего следует отметить, что полученные численные результаты относятся к конкретному случаю, раскрывают характерные ошибки проектов и подтверждают мнение об индивидуальности каждого проекта. На примерах продемонстрировано, что упрощённый подход к организации общеобменной вентиляции исключает возможность создания здорового микроклимата в классах и учебных кабинетах школ.

2. Из сказанного следует, что прежде всего необходимо привести в согласованное состояние нормативные документы, разработанные различными инстанциями на федеральном уровне, и разработать единый нормативный документ категории «Свод Правил», в котором объединить все разрозненные в настоящее время строительные, санитарные и экономические требования к системам вентиляции школ.

3. В текущей работе полезным будет ещё раз обратить внимание разработчиков проектов на обязательность определения величины воздухообмена, параметров процессов обработки и распределения воздуха расчётом. Ориентация в работе только на минимальные значения величин, которые указаны в действующих нормах, не соответствует профильным методическим рекомендациям, приводит к ошибочным решениям и бесполезной трате средств.

4. Целесообразно использовать высокоэффективное энергосберегающее оборудование для систем общеобменной вентиляции, даже несмотря на его высокую стоимость.