Статья ВАК: Проектирование систем вентиляции и отопления. Распределение приточного воздуха

Введение

Эффективное использование приточного воздуха зависит от размещения и вида приточных устройств. Системы воздухораспределения обеспечивают в помещениях микроклимат с заданными допустимыми или оптимальными параметрами (чистота воздуха, его температура, относительная влажность и подвижность). Прогнозирование конечного результата производится на основании расчёта развития струй приточного воздуха. Наиболее полные и достоверные данные были получены профессором М. И. Гримитлиным [1, 2], включены в справочники и каталоги фирм-производителей и являются актуальными и в настоящее время.

Предмет и методы настоящего исследования

Рекомендации по разработке раздела «Распределение приточного воздуха» основаны на анализе закономерностей приточных струй и их взаимодействия, требований нормативной и технической литературы, а также опыте проектирования систем вентиляции помещений различного назначения.

Результаты

В статье представлены рекомендации по выбору и обоснованию исходных данных при проектировании систем отопления и вентиляции, обобщённые авторами в работе [3].

Перечень исходных данных для расчёта

Знание закономерностей приточных струй позволяет рассчитать оптимальное распределение приточного воздуха, при котором обеспечиваются допустимые параметры воздушной среды и эффективное использование приточного воздуха. В качестве исходных используются данные, полученные при расчёте воздухообмена в помещении, и требования строительных норм [4]:

• схема организации воздухообмена, для которой определена величина воздухообмена L_in (сверху вверх, сверху вниз, снизу вверх или снизу вниз);
• размеры помещения в плане и высота, м;
• расход приточного воздуха L₀ = L_in, м³/с;
• температура приточного воздуха t₀ = t_in, °C;
• нормируемая температура воздуха t_wz в рабочей зоне, °C;
• нормируемая скорость воздуха V_wz в рабочей зоне, м/с.

Также могут потребоваться дополнительно:

• концентрация S₀ = S_in вредного вещества в приточном воздухе, мг/м³;
• предельно допустимая концентрация (ПДК) вредного вещества в воздухе рабочей зоны S_wz, мг/м³;
• расход L_кон воздуха, удаляемого из помещения в конце развития струи системами местных отсосов или общеобменной вытяжной вентиляции, м³/с.

Выбор схемы подачи приточного воздуха и типа воздухораспределителя

В зависимости от назначения помещения, его высоты, габаритов оборудования и избыточных тепловыделений выбирается одна из рекомендуемых по [1, 2] схем подачи приточного воздуха и тип воздухораспределителя (табл. 1). Характеристики воздухораспределителей принимаются также по [1, 2] или каталогам фирм-производителей [5].

Подача приточного воздуха непосредственно в рабочую зону применяется, как правило, в цехах с тепловыделяющим оборудованием при избыточных тепловыделениях более 23 Вт/м³. Циркуляция воздуха в таких цехах определяется конвективными струями, образующимися над источниками теплоты.

Подача приточного воздуха непосредственно в рабочую зону предполагает, что скорость и температура воздуха на выходе из воздухораспределителя не превышают допустимых значений для рабочей зоны.

При длине помещения в направлении выпуска воздуха более расстояния до четвёртого критического сечения возникает опасность образования непроветриваемой зоны, которая, впрочем, устраняется при удалении воздуха из рабочей зоны с противоположной воздухораспределителям стороны.

Наиболее распространённой является подача приточного воздуха в верхнюю зону помещения горизонтальными настилающимися на потолок и ненастилающимися струями, а также наклонными или вертикальными струями. Применяется для помещений производственных и общественных зданий.

Подача приточного воздуха горизонтальными настилающимися на потолок струями является единственно возможной для помещений небольшой высоты (до 4 м), но может быть применена и в более высоких помещениях. В этом случае рабочая зона омывается воздухом, поступающим сверху, или обратным потоком. Размещение вытяжных проёмов зависит от положения второго критического сечения струи [1].

Подача приточного воздуха горизонтальными ненастилающимися струями допустима в помещениях высотой более 6 м при длине помещения в направлении выпуска воздуха больше x₃ и размещении вытяжных проёмов в пределах рабочей зоны. При подаче приточного воздуха наклонными струями воздухораспределители размещают на высоте 4-6 м от пола.

Удаление воздуха следует осуществлять из объёма помещения, не занятого приточными струями, чтобы не происходило удаления части приточного воздуха ещё до поступления его в рабочую зону. Зоны помещения, в которых целесообразно размещать вытяжные проёмы, выбирают из условия наиболее полного использования приточного воздуха для разбавления теплоты, водяных паров и вредных веществ в рабочей зоне. С этой целью размещать вытяжные проёмы рекомендуется по возможности в зонах, в которых наблюдаются наиболее высокие температуры и концентрации вредных веществ [3].

Размещение вытяжных проёмов в верхней зоне является обязательным в следующих случаях: при значительных избытках явной теплоты и при выделениях вредных или горючих газов или паров.

При этом в помещениях высотой до 6 м расход удаляемого из верхней зоны воздуха должен быть не менее однократного воздухообмена, а в помещениях высотой более 6 м — не менее 6 м³/ч на 1 м² площади пола [4].

Допустимые параметры струи на входе в обслуживаемую зону

Максимальные значения скорости и избыточной температуры воздуха наблюдаются только на оси приточной струи. Поэтому действующие нормы [4] допускают отклонение значений скорости и температуры воздуха на оси струи от нормируемых величин для рабочей зоны.

Значения допустимой скорости воздуха на оси струи на входе в рабочую зону V_х.доп и избыточной температуры воздуха Δt_x.доп принимают в зависимости от значений этих параметров в рабочей зоне (V_wz, t_wz) и от наличия постоянных рабочих мест в зоне прямого воздействия струи или обратного потока. Зоной прямого воздействия струи принято считать участок площади поперечного сечения её на входе в рабочую зону, в пределах которого скорости воздуха изменяются от V_x до 0,5V_x. Радиус зоны прямого воздействия R_wz = xtg(α_0.5V) определяется следующими соотношениями

Примечание. Границы зоны прямого воздействия струи можно определить лишь после окончания расчёта воздухораспределения. Поэтому на начальных этапах расчёта воздухораспределения полагаем, что люди могут находиться в зоне прямого воздействия струи приточного воздуха или в зоне обратного потока.

Допустимая скорость воздуха по оси струи на входе в рабочую зону V_х.доп может быть выше нормируемой скорости для рабочей зоны V_wz и определяется:

где k — коэффициент перехода от нормируемой скорости движения воздуха к максимальной скорости воздуха в струе, который принимаем по табл. 2 [4].

При подаче в помещение нагретого воздуха (t₀ > t_wz) температура воздуха на оси струи на входе в рабочую зону будет выше температуры окружающего воздуха, а при подаче холодного воздуха (t₀ < t_wz) — ниже.

Отклонение температуры воздуха на оси струи от температуры воздуха в рабочей зоне Δt_x = t_x - t_wz, определяемое по формулам табл. 3 с учётом эффектов настилания, неизотермичности, взаимодействия струй, стеснённости их развития, а также в обратном потоке, не должно превышать допустимого:

Значения Δt_x.доп приведены в табл. 3.

Как следует из данных табл. 3, при подаче нагретого воздуха допустимо большее отклонение температуры воздуха на оси приточной струи при входе в рабочую зону по сравнению с нормируемой температурой в рабочей зоне, чем при подаче охлаждённого воздуха.

Выбор типоразмера и количества воздухораспределителей

Выбор типоразмера и количества воздухораспределителей выполняется в следующей последовательности. Необходимо выбрать одну из схем воздухораспределения и тип воздухораспределителя (табл. 1). По данным [1, 2] находим значения температурного коэффициента m₀, скоростного коэффициента n₀, коэффициента местного сопротивления ζ и вид создаваемой воздухораспределителем струи. Для настилающихся струй производим переопределение скоростного и температурного коэффициентов:

где К_нас — коэффициент настилания.

Для струй, настилающихся на одну поверхность, К_нас = 1,41; для струй, настилающихся на две поверхности, К_нас = 1,7; для ненастилающихся струй К_нас = 1.

Выбор типоразмера воздухораспределителя производится по величине допустимой начальной скорости воздуха V_0.доп. Для воздухораспределителей, подающих приточный воздух непосредственно в рабочую зону, величина V_0.доп не должна превышать скорости воздуха, допустимой для рабочей зоны V_wz. Для помещений общественных зданий V_0.доп принимается по акустическим условиям не более 3 м/с. В помещениях производственных зданий допустимы более высокие скорости воздуха до 10 м/с.

Задаваясь значением V_0.доп, можно найти суммарную площадь всех воздухораспределителей:

где L_in — расход приточного воздуха, м³/с. После этого выбираем тип и типоразмер воздухораспределителя по справочным данным или каталогам фирм-производителей и находим площадь подводящего патрубка воздухораспределителя F₀. Тогда количество воздухораспределителей N найдём с округлением до целого числа как:

Взаимодействие струй при N > 1 представляется возможным учесть, если они развиваются в одинаковых условиях, являются параллельными или соосными встречными, так как остальные случаи не изучены. Поэтому при выборе типоразмера воздухораспределителя следует руководствоваться рекомендациями:

• количество воздухораспределителей должно быть минимальным;
• в пределах помещения следует использовать воздухораспределители одного типоразмера;
• размеры площадки пола А₁ или Б₁ (рис. 1), обслуживаемой одним воздухораспределителем, принимать не более 6 м (соотношение большей стороны такой площадки к меньшей А₁/Б₁ = 1,0-1,4);
• можно не опасаться увеличения количества воздухораспределителей сверх определённого по (9), так как при этом начальная скорость V₀ уменьшается.

При затруднениях с выполнением этих рекомендаций следует выбрать другое количество воздухораспределителей этого типоразмера, другой типоразмер или изменить схему подачи приточного воздуха и тип воздухораспределителя. После этого находим уточнённое значение начальной скорости воздуха непосредственно в подводящем патрубке воздухораспределителя:

Уточнение расчётной схемы струи и определение её параметров

Далее необходимо уточнить схему установки воздухораспределителей с учётом их габаритов. Для неизотермических струй следует рассчитать траекторию оси струи и её длину % от воздухораспределителя до входа в рабочую зону согласно работам [1, 2].

Затем следует определить расстояния до критических сечений и найти габаритные размеры струи в этих сечениях. Следует выполнить в масштабе схему развития струи приточного воздуха и корректировать её в процессе расчётов.

Анализ возможности использования схемы организации воздухообмена, принятой при определении его величины, выполняется в зависимости от положения второго критического сечения х₂ относительно уровня верха рабочей зоны. При этом также может возникнуть необходимость выбора другого типа или типоразмера воздухораспределителя, схемы подачи приточного воздуха или схемы организации воздухообмена и изменения его величины.

После этого определяются величины коэффициентов неизотермичности K_tv (K_tt) стеснения К_ст и взаимодействия К_вз. Рассчитываются параметры струи непосредственно на входе в рабочую зону по следующим зависимостям:

и сравниваются с их допустимыми значениями.

Таким образом, расчёт воздухораспределения является многовариантным и трудоемким, что требует применения для расчётов компьютерных программ.

Пример 1. Выполнить расчёт воздухораспределения для литейного цеха (рис. 2) для холодного периода года. Приточный воздух подаётся в осях 3-6 в относительно «чистую» зону цеха, так как в правой части цеха располагается плавильная электропечь (этот участок цеха на плане не показан). Наиболее интенсивное загрязнение воздуха пылью и газами происходит при сливе расплавленной стали в ковш для последующего разлива стали в формы.

Исходные данные: схема организации воздухообмена «сверху-вверх»; размеры помещения в плане 15 × 18 м; высота помещения — 8 м; расход приточного воздуха L₀ = L_in = 11,4 м³/с; температура приточного воздуха t₀ = t_in = 10,2 °C; нормируемая допустимая температура воздуха в рабочей зоне t_wz = 13 °C; нормируемая скорость воздуха в рабочей зоне V_wz = 0,5 м/с.

Так как температура приточного воздуха ниже допустимой для рабочей зоны, следует подавать приточный воздух в верхнюю зону горизонтальными ненастилающимися струями на отметке 4 м (рис. 3).

Определим необходимое количество и выберем тип воздухораспределителей. Примем начальную скорость воздуха в присоединительном патрубке воздухораспределителя V₀ = 8 м/с и найдём необходимую суммарную расчётную площадь воздухораспределителей по следующему уравнению (8):

Выберем для подачи приточного воздуха решётку вентиляционную регулируемую типа РВ5 (размеры 400 х 600 мм) с расчётной площадью F₀ = 0,24 м² [1]. Тогда необходимое количество воздухораспределителей составит:

Такое количество воздухораспределителей достаточно удобно для размещения по две решётки ВР между строительными осями цеха (рис. 2).

Характеристики воздухораспределителя: расчётная площадь — F₀ = 0,24 м²; эквивалентный диаметр — d₀ = 1,13√F₀ = 1,13√024 = 0,55 м; присоединительные размеры 400 × 600 мм; скоростной коэффициент для компактной струи m = 6,3; температурный коэффициент n = 5,1.

Определим начальную скорость воздуха, подставив в соответствующую формулу значения:

Для уточнения расчётной схемы струи найдём число Архимеда по начальным условиям Ar₀:

Тогда значение текущего числа Архимеда Ar_x определим как:

При подаче приточного воздуха горизонтальными струями начальный угол оси струи к горизонту составляет α₀ = 0°. Уравнение траектории оси компактной струи воздуха, отклоняющейся под действием гравитационных сил вниз на величину Δz, примет вид:

Отклонение оси струи вниз под действием гравитационных сил в соответствии с последним уравнением на расстоянии x от воздухораспределителя:

Из результатов расчёта следует, что отклонение оси струи от горизонтали незначительное (рис. 3).

Определим характер расширения струи. Площадь сечения помещения в направлении, перпендикулярном к струе, составляет по трём пролётам:

Площадь сечения помещения, приходящаяся на одну струю:

Струя расширяется до первого критического сечения х₁, расстояние которого от воздухораспределителя составляет:

Найдём радиус струи R на расстоянии х₁ от воздухораспределителя по формуле R = 2x₁tg(α_0,5V), где tg(α_0,5V) — тангенс угла между осью струи и лучом, направленным из центра воздухораспределителя в точку сечения струи, в которой скорость воздуха составляет половину от её значения на оси струи.

Для компактной струи значение:

а радиус струи составит величину:

После первого критического сечения расширение струи прекращается, подмешивание окружающего воздуха продолжается до второго критического сечения, длина которого определяется как:

Схема развития струи в соответствии с выполненными расчётами показана на рис. 4.3, из которого следует, что рабочая зона омывается обратным потоком воздуха. Поэтому влиянием неизотермичности, стеснённости и взаимодействия струй пренебрегаем.

Скорость воздуха в обратном потоке рассчитывается как:

немного превышает допустимое значение 0,5 м/с.

Избыточная температура воздуха в обратном потоке:

не превышает допустимого отклонения от температуры воздуха в рабочей зоне.

Пример 4.2. Рассчитать параметры приточной струи при аэрации кузнечного цеха в холодный период года.

Исходные данные: наружный воздух поступает в цех с одной стороны через ленточный проём высотой 1,5 м, нижняя кромка которого расположена на отметке 5,00 м; проём снабжён среднеподвесными створками (рис. 4), установленными под углом α₀ = 45°; цех однопролётный с шириной пролёта 12 м; температура наружного воздуха — t_ext = -35 °C, температура воздуха в цехе — t_wz = 16 °C, скорость воздуха в проёме — V₀ = 1 м/с, допустимая подвижность воздуха в рабочей зоне — V_wz = 0,5 м/с.

Допустимая скорость воздуха на оси струи на входе в рабочую зону по (4.4) составляет V_x.доп = kV_wz = 1,8 × 0,5 = 0,9 м/с, допустимое отклонение температуры воздуха на оси струи по табл. 4.2 составляет Δt_х.доп = 2 °C.

Приточная струя плоская с начальным размером В₀ = 0,7 м, значения скоростного и температурного коэффициентов для прямоугольного щелевого отверстия составляют по [1, 2] m = 2,5, n = 2.

Значение числа Архимеда, определённое по начальным условиям, найдём для плоской струи по формулам, приведённым в примере 1:

Текущее число Архимеда:

Уравнение траектории оси струи согласно [1, 2]:

Приведём результаты расчёта координат оси струи:

Определим температуру воздуха и скорость на оси струи на входе в рабочую зону. Длина оси струи по графику на рис. 4 от приточного проёма до входа в рабочую зону составляет х = 6 м.

Протяжённость начального участка для плоской струи:

Так как х > х_нач, на входе в рабочую зону имеем основной участок струи. Текущее число Архимеда для плоской струи найдём по формулам примера 1:

При однонаправленном действии инерционных и гравитационных сил коэффициент неизотермичности K_tv = 1.

Влияние неизотермичности на температуру воздуха оценивается коэффициентом K_tt и определяется по следующей формуле [1, 2]:

Коэффициент стеснения находим по соотношению (3.56), где в качестве Н принята ширина пролёта 12 м:

Скорость воздуха на оси струи определим по уравнению при коэффициенте взаимодействия К_вз = 1 (других струй нет):

Скорость воздуха не превышает допустимого значения 0,9 м/с. Избыточная температура воздуха на оси струи по руководствам [1, 2]:

Абсолютное значение |Δt_x| = 11 °C превышает допустимое отклонение Δt_доп = = 2 °C. Температуру воздуха на оси струи на входе в рабочую зону определим из уравнения Δt_x = t_x - t_wz, откуда:

На основании выполненных расчётов можно сделать вывод о том, что естественный приток в данном случае недопустим. Таким образом, применение аэрации в холодный период года требует обоснования расчётом.

Выводы

Разработаны рекомендации по проектированию схемы подачи приточного воздуха, определению допустимых параметров струи на входе в обслуживаемую зону, выбору типоразмера и количества приточных устройств. Обоснована необходимость детальных расчётов с целью определения параметров приточных струй и прогнозирования эффективности приточной вентиляции. Приведены примеры расчётов.