Система охраны труда является одним из главных направлений в функционировании различных промышленных зданий и сооружений. Наиболее сложным её разделом является обеспечение нормируемых параметров теплового комфорта. Особенно остро эта проблема стоит в помещениях с высокой теплонапряжённостью. Типовым решением для снижения влияния высокотемпературных процессов является использование воздушного «душирования». Первые разработки в нашей стране активно внедрялись В.В. Батуриным и И.А. Шепелевым (душирующие патрубки, водо-воздушные души, передвижная воздухоохлаждающая установка [1]). В дальнейшем при развитии исследований в области обеспечения комфортных условий труда производственного персонала появились различные модификации существующих вариантов и новые подходы к организации локальных систем механической вентиляции. Одним из типовых решений при первом варианте устройства душирующих систем являлось создание «Душирующих оазисов» [2].
Второй подход резко отличался от первого, так как в нём учитывались санитарные аспекты лучистого теплообмена [3]. Развитие этого направления активно тормозилось из-за отсутствия негромоздких методов расчёта радиационного теплообмена между охлаждающими элементами и конструкциями здания. Впервые этот вопрос был частично решён К. Калосом, Е. Экертом, Е.Ф. Ван дер Гельдом [4] и М.И. Киссиным [5], но их варианты использования были ограничены из-за большого количества необходимых исходных данных, которых часто не имелось у служб эксплуатации. Впоследствии В.Н. Богословский смог систематизировать весь научно-технический опыт и сформировать методологию расчёта с конкретными эмпирическими результатами [6]. После решения данной проблемы сильных ограничений на использование охлаждающих панелей больше не было и данное направление активно развивалось. Впоследствии также появилось новое комбинированное направление, в котором использовались как элементы конвективного, так и элементы лучистого охлаждения.
Большой вклад в это направление внесли работы В.И. Прохорова, Л.Г. Маляренко и А.Л. Наумова, создавших ряд устройств-панелей для лучисто-конвективного охлаждения (панели ПЛИ) [7–9].
Типовым местом применения этих устройств являются помещения малого объёма, например, посты управления [10].
В последних трудах В.И. Прохорова отмечено, что использование охлаждающих панелей ПЛИ возможно и в помещениях большого объёма для локальных систем вентиляции [11]. В современных отечественных исследованиях также возможно встретить работы, посвящённые конвективному охлаждению и проблемам образования локальных вентилируемых зон [12–14].
В данной работе рассмотрена эффективность применения панели ПЛИ последней конструкции (с двумя воздухораспределительными щелями) в помещении котельной для зоны обслуживания верхнего барабана котельного агрегата, в которой изначально наблюдались высокие значения температуры воздуха.
Исходные данные и инструменты для полевого исследования
В ходе первичных исследований зон с высокими значениями температуры в котельной (с 11 по 16 февраля) было обнаружено место, где инженерно-технический персонал проводит достаточно продолжительное время для регулирования некоторых задвижек котельного агрегата. Этим местом являлся верхний барабан теплогенерирующего агрегата. На рис. 1 представлен график изменения температуры в данной и нижней зонах, где находится рабочий персонал и проводит как наблюдение за работой котельного оборудования, так и регулирование некоторых технологических процессов.
Рис. 1. График изменения температуры воздуха в двух исследуемых рабочих зонах машинного зала (МЗ) котельной
Замеры температуры воздуха проводились с периодичностью в одну минуту. Всего было выполнено 7081 замер температуры воздуха с помощью самозаписывающих логгеров данных Testo 174T (погрешность прибора ±0,5°C). Согласно полученным данным, наибольшее отличие температуры воздуха между двумя зонами составило 13,3°C, а наименьшее — 8,2°C. Несмотря на то, что в некоторые периоды наблюдаются превышения температуры выше 25–28°C (согласно требованиям ГОСТ 12.1.005–88, это верхние границы температуры воздуха в помещениях с высокими тепловыми избытками для различных периодов года), её более нижний тепловой потенциал по сравнению с верхней зоной является достаточно ощутимым. Подобное явление можно наблюдать и в машинных залах городских канализационных насосных станций [11]. В связи с этим было принято решение использовать имеющийся охлаждающий потенциал из нижней зоны и направить его в верхнюю зону с помощью панели ПЛИ и вентилятора, которые создадут локальную зону обдува с низконапорными струями воздуха. Малые скорости воздухораспределения обеспечат комфортные условия, в отличие от высокоскоростных душирующих установок.
На рис. 2 представлена принципиальная схема испытательного стенда, смонтированного в котельной 13 мая 2026 года. На фото 1–3 представлены фотографии места расположения панели ПЛИ.
Рис. 2. Принципиальная схема натурного испытательного стенда (1 — логгер данных №1 на выходе из щели панели ПЛИ; 2 — логгер данных №2 у вентилятора; 3 — логгер данных №3 над барабаном котельного агрегата)
Фото 1. Фотография с места установки лучисто-конвективной панели в котельной (рабочая зона обслуживания у верхнего барабана котельного агрегата; вид А: I — задвижка, II — верхний барабан котельного агрегата, III — задвижка)
Фото 2. Фотография с места установки лучисто-конвективной панели в котельной (рабочая зона обслуживания у верхнего барабана котельного агрегата; вид Б: А — равномерно расположенные контрольные точки измерения скорости истечения воздуха из панели ПЛИ)
Фото 3. Фотография с места установки вентилятора в рабочую зону в помещении котельной, в которой изначально наблюдались высокие значения температуры воздуха (нижняя рабочая зона: 1 — центробежный вентилятор; 2 — полимерный воздуховод длиной 8 м)
Для исследования влияния воздействия панели ПЛИ на температурные показатели в верхней зоне проведения операторами котельных агрегатов типовых работ было использовано следующее измерительное оборудование:
1. Для измерения скорости истечения воздуха из панели ПЛИ — анемометр Testo 410i (погрешность измерения скорости ±(0,2 м/с + 2%) и температуры ±0,5°C при скорости истечения, находящейся в диапазоне от 0,4 до 20 м/с);
2. Для измерения статического и динамического давления в воздуховоде на входе в панель ПЛИ — манометр Testo 510i с трубкой Пито (погрешность измерения давления ±0,05 гПа при измеренном значении, находящемся в диапазоне от 0 до 1 гПа, а также ±0,2 + 0,015 ИВ при измеренном значении от 1 до 150 гПа);
3. Для измерения температуры воздуха (с периодичностью измерения 1 мин.) на входе в вентилятор и в верхней зоне проведения стандартных работ инженеров по эксплуатации котельного оборудования — логгер данных Testo 174T (погрешность измерения температуры ±0,5°C);
4. Для измерения температуры поверхности верхнего барабана котла и поверхностей ПЛИ-панели был использован тепловизор Fluke TIS20+ (погрешность оборудования составляла ±2%).
На рис. 3 представлено условное разделение поверхностей панели ПЛИ для измерения осреднённой температуры.
Рис. 3. Принципиальная схема панели ПЛИ с обозначениями поверхностей измерения температуры (1–6 — поверхности панели ПЛИ)
В рамках исследования проводились следующие мероприятия:
— установка ПЛИ-панели в верхнюю рабочую зону и установка вентилятора (YWL4E-200QD) в нижней рабочей зоне;
— прокладка полимерного воздуховода;
— установка самозаписывающих логгеров данных и тепловизора;
— установка измерителя полного давления в воздуховоде перед ПЛИ-панелью;
— измерение скорости истечения воздуха после ПЛИ-панели.
Измерение теплотехнических параметров проводилось после одного часа и 30 минут работы лучисто-конвективной панели (панели ПЛИ) в области верхнего барабана котельного агрегата.
Результаты
В рамках исследования были получены экспериментальные данные теплотехнических характеристик поверхностей теплообмена, панели ПЛИ, локальных температур воздуха в различных зонах машинного зала производственной котельной. Следует отметить, что в ходе исследования было обнаружено, что прекращение изменения температуры поверхностей панели ПЛИ наступило после одного часа работы устройства.
В табл. 1 и 2 представлены результаты обработки данных измерений, выполненных в исследовании. На рис. 4 и 5 представлены данные скоростей истечения воздуха из щелей в контрольных точках.
Табл. 1. Экспериментальные данные (теплотехнические характеристики)
Табл. 2. Экспериментальные данные (аэродинамические характеристики панели ПЛИ)
Рис. 4, 5. Распределение скоростей истечения воздуха в контрольных точках панели ПЛИ: верхняя щель (слева) и нижняя щель (справа)
Выводы
В ходе исследования было отмечено улучшение температурного режима локальной зоны обслуживания задвижек над верхним барабаном котельного агрегата. При работе устройства «панель ПЛИ» удалось добиться стабильного снижения температуры воздуха в среднем на 3,3°C (на расстоянии 0,6 м от панели ПЛИ в зоне действия струи) по сравнению с изначальным состоянием. Наблюдается сильное отличие температуры первой из поверхностей (поверхность №6 по рис. 3) панели ПЛИ относительно остальных, которое составило в среднем более 10°C. Для дальнейшего совершенствования конструкции панели ПЛИ рекомендуется исследовать возможность изменения размеров щелевого отверстия и рассмотреть вариант изменения материала конструкции устройства.
Благодарности
Авторы выражают благодарность главному энергетику Антону Выдрину, санитарно-техническому персоналу ОП «Останкино-Коровино» за помощь в транспортировании элементов устройства, а также кафедре ЭГТС НИУ «МЭИ» за предоставленное измерительное оборудование.
1. Батурин В.В., Кучерук В.В. Вентиляция машиностроительных заводов. 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Машгиз, 1954. 483 с.
2. Шепелева И.А. Аэродинамика воздушных потоков в помещении. — М.: Стройиздат, 1978. 144 с.
3. Малышева Е.А. Гигиенические вопросы радиационного теплообмена человека с окружающей средой (радиационное охлаждение): монография. — М.: Медгиз, 1963. 244 с.
4. Оцеп С.А. К теории расчётов систем лучистого отопления. — М.: НИТО теплоснабжения, отопления и вентиляции, 1940. 56 с.
5. Киссин М.И. Расчёт нагревательных панелей при лучистом отоплении // Вопросы отопления и вентиляции: труды ЦНИИПС. Сб. №1. — М.: Стройиздат, 1951. С. 5–13.
6. Богословский В.Н. Строительная теплофизика (теплофизические основы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха): учебник для вузов. 3-е изд. — СПб.: АВОК «Северо-Запад», 2006. 287 с.
7. Патент СССР №255524. МПК F24f 13/06. Панель ПЛИ / В.И. Прохоров. Заяв. и патентообл.: В.И. Прохоров. №837847/29–14. Заявл.: 17.05.1963; опубл. 28.11.1972.
8. Патент СССР №522378. МПК F24f 13/06. Панель ПЛИ / В.И. Прохоров, О.Н. Щельцына, О.Е. Песков, Л.Г. Маляренко. Заяв. и патентообл.: ЦНИИпромзданий; НИТИ. №1980291/06. Заявл.: 27.12.1973; опубл.: 25.07.1976.
9. Патент СССР №678259. МПК F24F 13/06. Панель ПЛИ / В.И. Прохоров, Л.Г. Маляренко, А.Л. Наумов [и др.]. Заяв. и патентообл.: ЦНИИпромзданий. №2593713. Заявл.: 23.03.1978; опубл.: 05.08.1979.
10. Наумов А.Л. Радиационно-конвективное охлаждение кабин постов управления в горячих цехах: дисс. канд. техн. наук по спец. 05.23.03. — М.: ЦНИИпромзданий, 1979. 188 с.
11. Прохоров В.И., Разаков М.А. Моделирование тепловых режимов охлаждающих панелей в канализационных насосных станциях // Вестник МГСУ, 2021. Т. 16. №10. С. 1378–1387.
12. Rymarov A.G., Agafonova V.V. The personalized supply ventilation system design in the office space. Proc. of the International Scientific Conference on Construction and Architecture: Theory and Practice for the Innovation Development (CATPID-2019). October 1–5, 2019. Kislovodsk, Russia. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2019. Vol. 698. Issue 5. Art. 055030.
13. Rymarov A., Havanov P., Titkov D. Formation of local temperature regime in the room: Personal ventilation system. Proc. of the XXIV International Scientific Conference “Construction the Formation of Living Environment” (FORM-2021). April 22–24, 2021. Moscow, Russia. E3S Web of Conferences. 2021. Vol. 263. Art. 04026.
14. Ilin E.A., Grimitlin A.M. Clean-room class D air distributor performance evaluation: Case study of RTC Polisan. Proc. of the International Scientific and Practical Conference on “Engineering, Construction and Infrastructure Solutions for Innovative Medicine Facilities” (ECSF-2021). May 19–21, 2021. St. Petersburg, Russia. In: Proceedings of ECSF-2021. Series: Lecture Notes in Civil Engineering. Springer Nature. Cham, Switzerland. 2023. Pp. 111–122.
