Организация рационального распределения воздуха, обеспечивающего комфортные условия пребывания людей, в помещениях с высотой, превышающей 4 м, в значительной степени отличается от таковой для помещений высотой до 4 м. При этом и в высоких, и в низких помещениях применяются системы с вытеснением и с перемешиванием воздуха. Благодаря значительной температурной стратификации, характерной для высоких помещений, системы с вытеснением с размещением воздухораздающих устройств (ВРУ) в полу применяются в них значительно чаще, чем в помещениях с низким потолком.
Однако система с вытеснением остаётся применимой до тех пор, пока отношение суммарной тепловой нагрузки на помещение к количеству тепла, выделяемого только людьми, незначительно превышает единицу. Характерным примером рационального применения систем с вытеснением в высоких помещениях могут служить залы театров.
При высоких тепловых нагрузках, когда для снятия теплоизбытков необходимо подавать большое количество воздуха, как для высоких, так и для низких помещений предпочтение приходиться отдавать системам с перемешиванием. В этом случае, в зависимости от назначения помещения, от особенностей его конструктивного исполнения и других факторов, воздухораздающие устройства могут размещаться либо на потолке, либо на стенах. На потолке, как правило, размещаются диффузоры, на стенах — сопла или решётки. Если выбирать между соплами и диффузорами, то предпочтение следует отдавать потолочным диффузорам, поскольку они более равномерно распределяют воздух в помещении. Однако, если обратиться к каталогам производителей, то в них не рекомендуется применять потолочные диффузоры (вихревые, веерные и др.), если высота их установки превышает 4 м [1]. Что касается сопел, то на них ограничение не распространяется.
Обратимся теперь к предмету анализа, а именно — к павильонам киносъёмки. Их высота значительно превышает 3,5 м. Плотность теплового потока в них может доходить до 400 Вт/м², причём основные источники тепла (софиты) расположены в зоне нахождения людей. Технология проведения киносъёмок предполагает размещение ВРУ только на потолке.
Какие же виды потолочных диффузоров целесообразно применять в павильонах киносъёмки? Практически единственный тип потолочного диффузора, который рационально использовать в этих помещениях, — это диффузор с регулируемым углом атаки.
Подобные устройства позволяют:
- раздавать большое количество воздуха (до 3000 м³/ч на диффузор);
- изменять форму струи и благодаря этому добиваться комфортных условий нахождения людей в рабочей зоне (РЗ);
- реализовывать как кондиционирование, так и воздушное отопление рассматриваемого помещения.
Подобные устройства имеют в своей программе все европейские производители. Однако преобладающему большинству подобных диффузоров присущ существенный недостаток — при изменении угла атаки при неизменном расходе воздуха в несколько раз изменяется сопротивление диффузора. Это обстоятельство существенно усложняет процедуру обеспечения требуемой подвижности воздуха в рабочей зоне. В процессе балансировки при произвольном положении лопаток диффузора добиваются проектного расхода на диффузоре. Однако в результате измерения скорости воздуха в РЗ оказывается, что она превышает допустимое значение. Для её снижения необходимо изменить угол атаки лопаток диффузора, что будет сопровождаться изменением сопротивление диффузора и, как следствие, изменением расхода воздуха. С учётом вышеназванного факта процедура балансировки будет требовать значительных затрат времени. Идеальным выходом из этой ситуации является диффузор, у которого сопротивление зависело бы только от расхода и не зависело от угла атаки лопаток. И такой диффузор существует. Самый большой диффузор из линейки имеет габаритный диаметр 800 мм, а диаметр его присоединительного патрубка равен 500 мм.
Одним из основных параметров подобных диффузоров является зависимость глубины проникновения струи от расхода для различных значений перегрева / переохлаждения приточного воздуха. Максимальная глубина проникновения достигается при 90° угле атаки диффузора. В этом случае формируется компактная струя, направленная непосредственно в рабочую зону. При этом предполагается, что процесс в РЗ изотермический.
На рис. 1 представлен график зависимости скорости струи воздуха в рабочей зоне в зависимости от расхода воздуха при разном расстоянии от диффузора до рабочей зоны. При расстоянии от диффузора до РЗ, равном 15 м (высота установки диффузора — 16,8 м), для расхода, равного 1900 м³/ч, ожидаемая подвижность воздуха для компактной струи близка к 0,5 м/с. Понятно, что при подаче переохлаждённого воздуха следует ожидать увеличения скорости воздуха в РЗ. Для того, чтобы добиться требуемой скорости воздуха в рабочей зоне, достаточно уменьшить угол атаки диффузора, следствием чего будет расширение угла раскрытия струи.
Другим важным параметром диффузора является величина уровня шума, им генерируемого. В том случае, когда принимается решение записывать звук непосредственно в павильоне, важность этого параметра сложно недооценить. В случае записи звука в павильоне уровень звукового давления ограничивается величиной NR20.
Другим параметром диффузора, без которого не представляется возможным построить аэродинамическую сеть воздуховодов, является величина падения давления на диффузоре в зависимости от расхода воздуха. Информация о величине сопротивления диффузора становится критически важной, если предпринимается попытка отказаться от балансировочных клапанов. В этом случае магистральные воздуховоды должны обладать свойством воздуховода постоянной раздачи. А без информации о сопротивлении диффузора невозможно правильно рассчитать его сечение.
На рис. 2 представлены графики зависимостей уровня звукового давления и сопротивления диффузора 800 размера для разных величин расхода воздуха.
Рассмотрим характеристики реального киносъёмочного павильона. Габаритные размеры павильона: 58×42 м, высота 16 м. Одновременно в павильоне могут находиться до 320 человек. Количество тепла, выделяемого только осветительными приборами, достигает величины 900 кВт.
Как уже указывалось выше, для высоких помещений характерна значительная температурная стратификация. Это значит, что температура приточного воздуха может сильно отличаться от температуры воздуха в рабочей зоне. Если принять температуру вытяжного воздуха равной 28,5°C, то при температуре приточного воздуха, равной 15°C, для ассимиляции 900 кВт тепла необходимо подавать 204 тыс. м³/ч воздуха. Располагая информацией о величине суммарного расхода воздуха, подлежащего раздаче в помещении, зная акустические характеристики диффузора и допустимый уровень звукового давления, можно сделать предварительную оценку требуемого количества диффузоров. Для того, чтобы оценка была корректной, необходимо располагать информацией о уровне шумоподавления павильона. Для павильона объёмом 39 тыс. м³ эквивалентную площадь звукопоглощения (в единицах Сэбина — см. врезку) можно оценить в 200 м². При размещении диффузоров на потолке расстояние до расчётной точки будет равно 14,2 м. В этом случае величина шумоподавления павильона составит 22 дБ(А).
Что такое «единица Сэбина»?
«Сэбин» (the Sabin unit) — единица поглощения звука (эквивалентная площадь звукопоглощения А), рассчитываемая как в британских, так и в метрических единицах. Например, один квадратный метр 100%-но поглощающего материала равен одной метрической единице Сэбина. Данная физическая величина названа в честь Уоллеса Клемента Сэбина (Wallace Clement Sabine, 1868–1919), американского физика, основателя архитектурной акустики. В общем виде эквивалентная площадь звукопоглощения в метрических сэбинах рассчитывается по простой формуле A = Σ(Siαi) = αсрS, где αi — коэффициент звукопоглощения i-й ограждающей поверхности помещения и отдельных поверхностей помещения (строительных конструкций и облицовок) площадью Si, м²; αср — средний коэффициент звукопоглощения помещения; S — суммарная площадь ограждающих поверхностей помещения, м². Сэбины используются для расчёта времени реверберации концертных залов, лекционных залов и студий звукозаписи.
В табл. 1 представлена оценка зависимости величины уровня звукового давления в павильоне (столбец 5) и количества диффузоров (столбец 3) в зависимости от расхода воздуха, приходящегося на единичный диффузор. Из сопоставления расчётного значения величины NR и допустимого значения NR20 следует вывод, что для раздачи воздуха необходимо не менее 100 штук диффузоров.
Целесообразно размещать приточные установки вдоль длинной стороны павильона. Если использовать шесть приточных установок, то одна приточная установка будет подавать в павильон 34 тыс. м³/ч воздуха через 18 диффузоров. Предлагаемая схема позволяет равномерно разместить диффузоры в проекции потолка. Суммарное количество диффузоров равно 108 штук. Расстояние между магистральными воздуховодами — 9,6 м, расстояние между диффузорами — 2,2 м. Соответствующее значение уровня звукового давления составляет NR22, что незначительно превышает заданное в техническом задании значение.
Оптимизировать капитальные затраты на систему кондиционирования воздуха можно, если отказаться от балансировочных клапанов. В этом случае необходимо, чтобы магистральные воздуховоды представляли собой камеры статического давления. Оптимальным можно признать такой диаметр воздуховода, при котором отклонение максимального и минимального расходов воздуха от среднего на единичном диффузоре не превысит ± 10%.
Данная величина (10%) является приемлемой точностью балансировки. Величина среднего расхода на единичный диффузор равна 1889 м³/ч. Существует два варианта изменения сечения магистрального воздуховода по его длине: постоянное либо переменное сечение. Если магистральный воздуховод прокладывается открыто, и если не принимать во внимание экономию металла на изготовление, то воздуховод постоянного сечения имеет приоритет. Располагая зависимостью сопротивления диффузора от расхода (рис. 2) и используя формулы для расчёта сопротивления тройника на отвод и проход [2], была разработана программа, позволяющая рассчитывать изменения расходов воздуха в диффузорах, присоединённых к магистральному воздуховоду.
Подробный алгоритм расчёта представлен в [3]. Перебирая в расчётах диаметры магистрального воздуховода, приемлемого максимального отклонения, равного 13%, удалось добиться при диаметре воздуховода 1,8 м. Дальнейшее увеличение диаметра воздуховода не представляется возможным из-за ограничений, накладываемых конструкцией павильона.
На рис. 3 представлены графики изменения полного и статического давления в воздуховоде по его длине. Также на этом рисунке приведён график изменения падения давления на всех 18 диффузорах. Соответствующие значения расходов воздуха на каждом отдельно взятом диффузоре представлены на рис. 4.
Для известных значений расхода воздуха для каждого диффузора с помощью рис. 2 были определены величины уровня мощности шума. Используя методику расчёта уровня звукового давления для количества источников шума, большего одного [4], были определены расстояния от каждого диффузора до расчётной точки. Предоставленная производителем корреляционная таблица (табл. 2) позволила перевести (с учётом фильтра А) уровни мощности шума, генерируемого диффузорами, в спектральный уровень мощности шума.
Табл. 2 позволяет выполнить расчёты спектральных уровней звукового давления для расчётной точки в РЗ павильона и определить величину NR, которая оказалась равной NR21. Соответствующее значение уровня звукового давления (с учётом фильтра А) равно 25 дБ(А). На рис. 5 представлены результаты сравнения спектральных уровней звукового давления для NR21 и спектрального уровня звукового давления в павильоне при работе диффузоров. Цифрам от одного до восьми соответствуют характерные значения полосы частот от 63 до 8000 Гц.
Итак, можно сделать вывод, что регулируемые диффузоры делают возможным создание систем кондиционирования воздуха высоких помещений с высокими тепловыми нагрузками и жёсткими акустическими требованиями.
