Характерным образчиком помещений, в которых необходимо поддерживать температуру и влажность воздуха в узком диапазоне, являются залы музеев. В рекомендациях АВОК [1] диапазон изменения относительной влажности предлагается ограничить величиной ± 2,5%, а температуры — ± 1 К. Создание системы вентиляции и кондиционирования воздуха, способной поддерживать параметры внутреннего воздуха в этом интервале, не является тривиальной задачей. При этом значительное изменение величины тепловой нагрузки на зал и варьирование количества экскурсантов в течении всего времени эксплуатации музея не упрощает задачу проектировщику, а делает её ещё более сложной.

Особенности построения систем вентиляции и кондиционирования воздуха в музеях. 5/2019. Фото 1

В настоящее время для обеспечения теплового и газового режима объектов с существенно переменной тепловой нагрузкой рекомендуется использовать системы с переменным расходом воздуха (VAV-системы). Если применение VAVсистем для музеев является без сомнения оправданным, то с выбором схемы распределения воздуха не всё так однозначно. Известно, что схемы раздачи воздуха делятся на схемы с вытеснением и схемы с перемешиванием. В музеях используются и те, и другие.

В работе [2] даётся большое количество примеров применения в музеях систем вентиляции, реализующих схему с вытеснением. В качестве единственного аргумента, обосновывающего использование именно этой схемы, приводится такой довод, как простота реализации распределения воздуха в зале в случае переменного расхода. Однако должного внимания обсуждению других особенностей, свойственных этим схемам, не уделяется.

Известно, что в схемам с вытеснением приточный воздух подаётся в помещение через воздухораздающие устройства (ВРУ) с эффективной скоростью, не превышающей 0,5 м/с. При этом температура приточного воздуха в тёплые периоды года поддерживается ниже температуры воздуха в помещении. Холодный и более плотный, а значит, и более тяжё- лый воздух растекается по полу. Граница, разделяющая преимущественно холодный и тёплый воздух, формируется при наступлении равенства потерь давления при движении воздуха через неплотности (например, через дверные проёмы) в ограждающих конструкциях и движущего напора, возникающего из-за разности плотностей воздуха внутри и снаружи помещения.

Очевидно, что существует вероятность, что граница раздела тёплого и холодного воздуха в какой-то момент времени «разделит» картины, выставленные в музее, на две части. Одна часть картины при этом будет находиться в контакте с холодным, а другая — с тёплым воздухом. Это не отвечает условиям музейного хранения. Отметим, что в отсутствии посетителей наступление этого события наиболее вероятно.

Известно, что применение схем с вытеснением создаёт максимально комфортные условия для людей. Объясняется это тем, что появление любого источника тепла, помещённого в объём холодного воздуха, формирует восходящий поток тёплого воздуха. Этот поток воздуха переносит свежий и чистый воздух к органам дыхания человека и создаёт ему очень комфортные условия. А как этот эффект отразится на экспонатах? Одним из основных источников тепла в залах музеев являются посетители. Восходящие потоки воздуха от каждого отдельно взятого человека сливаются в единый поток. Ожидаемо, что этот поток воздуха сформируется в непосредственной близости к центру зала. При этом вдоль стен и по углам зала будут располагаться застойные зоны. Примем во внимание, что в зале существуют и другие источники тепла — это может быть тепло от ограждающих конструкций и солнечная инсоляция помещения. Эти источники формируют вблизи стен и окон зону с избыточной относительно комнатной температурой. Понятно, что и в этих областях формируются восходящие потоки свежего воздуха. А вот в области внутренних и прилегающим к ним стен, где, как правило, располагаются экспонаты, восходящие потоки отсутствуют. Это значит, что экспонаты будут располагаться в застойных зонах.

Характерной особенностью, присущей схемам с вытеснением, является стратификация воздуха. Температура вытяжного воздуха значительно превышает температуру воздуха в помещении. Этот эффект не снижает комфорта для людей, так как голова человека находится в потоке свежего воздуха ниже границы раздела. А вот что касается экспонатов, то для них этот эффект может иметь негативный характер. Из-за того, что по высоте помещения температура воздуха значительно разнится, понятно, что разные по высоте части картин будут контактировать с воздухом, имеющим разную температуру. Начиная с высоты помещения, равной 3,5–4,0 м, чем выше помещение, тем сильнее проявляет себя стратификация.

Можно сделать вывод, что применение схем с вытеснением для музеев однозначно комфортно для посетителей, но может отрицательно сказаться на экспонатах. Что касается схем с перемешиванием, то они лишены многих негативных особенностей схем с вытеснением. Системы с вытеснением должны перемешивать воздух во всём объёме помещения с максимальной эффективностью.

Основной проблемой, сдерживающей применение систем с перемешиванием, является сложность решения задачи поиска приемлемых схем распределения воздуха («сверху-вверх», «сверху-вниз» и т. д.) и типоразмеров ВРУ, позволяющих реализовать выбранную схему.

Для залов музеев с высотой, ограниченной 3,5 м, решением, позволяющим оптимально реализовать схему с перемешиванием, является применение щелевых диффузоров. Как правило, это решение также полностью удовлетворяет требованиям, предъявляемым к дизайну зала.

Что касается залов с высотой более 3,5–4,0 м, оптимальным для них (по мнению автора) является применение диффузоров с регулируемым углом атаки. Именно подобные диффузоры позволяют легко добиться требуемой подвижности струи воздуха в рабочей зоне зала путём изменения угла атаки при подаче как переохлажденного, так и перегретого воздуха. Однако этим диффузорам присуща особенность — при изменении угла атаки изменяется эффективное сечение выходу воздуха (изменение угла атаки сопровождается изменением сопротивления диффузора).

Таким образом, попытка добиться нужной подвижности воздуха в регулируемой зоне (РЗ) путём изменения угла атаки ведёт к изменению сопротивления диффузора и, как следствие, к изменению расхода воздуха. А это необратимо сопровождается изменением формы струи и меняет скорость воздуха в РЗ.

Выходом из этой ситуации может быть поиск диффузоров, в которых отсутствует эффект зависимости эффективного сечения от угла атаки, или применение дополнительных устройств, способных компенсировать этот эффект. Существует несколько видов диффузоров, эффективное сечение которых не зависит от угла атаки. Они относятся к «промышленным» диффузорам, и их применение в случае, когда к дизайну помещения предъявляются повышенные требования, проблематично. В тоже время практически у всех европейских производителей в линейке присутствуют диффузоры с регулируемым углом атаки. Дизайн их способен удовлетворить даже очень требовательного дизайнера. Однако у этих диффузоров эффективное сечение зависит от угла атаки. Компенсировать этот эффект можно лишь в том случае, если последовательно с регулируемым диффузором разместить регулятор постоянного расхода воздуха (CAV/VAV). Применение регулируемых диффузоров совместно с VAV-регуляторами позволяет добиться необходимой скорости струи воздуха в РЗ, даже если система должна функционировать в режиме кондиционирования и воздушного отопления.

Задача интегрирования диффузоров с регулируемым углом атаки и VAV-регуляторов в систему с переменным расходом воздуха решается тривиально. Достаточно обеспечить выполнение условия: при изменении величины общего расхода воздуха изменяется количество активных диффузоров. При этом расход воздуха на единичном диффузоре должен поддерживаться постоянным. Такое решение позволяет при переменном общем расходе воздуха поддерживать скорость воздуха в регулируемой зоне неизменной.

Процедура выбора количества и типоразмера диффузоров осуществляется для максимального значения общего расхода воздуха из условия максимально равномерного покрытия регулируемой зоны зала струями. Расход воздуха, приходящийся на один диффузор, ограничивается генерируемым им шумом.

Перевод диффузора из активного состояния в пассивное (или наоборот) реализуется путём закрытия / открытия соответствующего VAV-регулятора по сигналу с внешнего устройства. В качестве внешнего управляющего устройства, реализующего изменение состояние VAVрегулятора, можно использовать сигнал с контроллера датчика температуры либо датчика абсолютного влагосодержания. Датчик температуры (или влажности) размещается на воздушном патрубке вытяжного воздуха. В том случае, когда величина расхода воздуха, необходимая для компенсации избытков тепла, превышает величину расхода воздуха на компенсацию избытка влаги в зале, целесообразно использовать датчик температуры, в противном случае — датчик влажности.

В работе [2] предлагается изменять величину общего расхода приточного воздуха по результатам анализа показаний датчиков, контролирующих влажность приточного и вытяжного воздуха. При этом непосредственно сам алгоритм управления расходом не приводится. Есть только указание, что задействуется специальная экспертная система.

Выполненная автором предварительная оценка показала, что величины расходов воздуха, необходимых для удаления теплоизбытков и избытков влаги, практически одинаковы. Автор предлагает изменять расход приточного воздуха путём изменения числа активных диффузоров, опираясь на показания датчика температуры вытяжного воздуха. Алгоритм управления достаточно прост. При превышении температуры вытяжного воздуха выше значения верхней границы один из VAV-регуляторов включается, и диффузор переводится из пассивного в активный режим. При падении температуры вытяжного воздуха ниже нижней границы VAV-регулятор выключается, и диффузор переводится в пассивный режим.

Верхняя граница температуры принимается равной максимально допустимому значению температуры в помещении, нижняя — минимально допустимому.

Поддержание комфортного газового состава воздуха в зале достигается путём открытия / закрытия заслонки свежего воздуха. Управляющим сигналом служит сигнал с датчика CO2, установленного на патрубке вытяжного воздуха.

В базовый алгоритм управления системой кондиционирования воздуха зала заложена идея, что для поддержания параметров воздуха в зале в узком диапазоне значений достаточно стабилизировать значения температуры и влажности приточного воздуха. При этом избыточные теплопритоки в зале компенсируются изменением расхода приточного воздуха (изменением числа диффузоров, находящихся в активном состоянии).

Значение абсолютной влажности приточного воздуха измеряется датчиком, установленном на выходном воздушном патрубке теплообменника-охладителя. Показания этого датчика используются для управления положением створки клапана расхода хладагента. Температура приточного воздуха измеряется датчиком температуры, установленном на выходном воздушном патрубке теплообменника-подогревателя. Датчик управляет положением заслонки клапана расхода теплоносителя.

На рис. 1 представлена структурная схема системы кондиционирования воздуха зала музея. Схема включает в себя основные элементы: теплообменники, клапаны и датчики, которые обычно размещаются непосредственно в корпусе приточной вентиляционной установки. Также на рисунке представлен зал с размещёнными в нём диффузорами с регулируемым углом атаки и CAV-регуляторами.

Структурная схема системы кондиционирования воздуха зала музея

После того, как сформулирован алгоритм управления системой кондиционирования, способный, по мнению автора, поддерживать с требуемой точностью параметры воздуха в зале музея, можно сделать попытку реализовать его для конкретного зала.

В зале площадью 70 м² может находиться одновременно не более 14 посетителей. Высота зала равна 5 м. Суммарное максимальное количество явного тепла принято равным 3100 Вт, в том числе 1100 Вт — явное тепло от людей. Значение максимально допустимой концентрации CO2 не должно превышать 1000 ppm. Температура воздуха не должна выходить за диапазон 18–20°C, а относительная влажность должна находиться в пределах 55–60%. Параметры окружающего воздуха приняты следующими:

  • температура — 18,0–26,3°C, зависит от времени суток;
  • концентрация углекислоты (CO2) — не более 450 ppm;
  • абсолютное влагосодержание — не более 11,5 г/кг сухого воздуха.

Имитация суточного изменения величин температуры наружного воздуха, тепловой нагрузки и количества посетителей в зале представлены на рис. 2.

Особенности построения систем вентиляции и кондиционирования воздуха в музеях. 5/2019. Фото 2

Как упоминалось выше, к дизайну залов музеев предъявляются высокие требования, которые, как правило, ограничивают типоразмер и количество воздухораздающих устройств, а также их внешний вид. Количество приточных диффузоров, которое было согласовано дизайнерами, было ограничено шестью единицами, а габаритный диаметр был принят 400 мм. Чтобы соответствовать акустическим требованиям, предъявляемым к залу, значение расхода воздуха для диффузора такого диаметра не должно превышать 450 м³/ч. Таким образом, максимальный расход воздуха, который можно подавать в зал, не может превышать 2700 м³/ч.

Для того чтобы удалить из зала 3100 Вт избыточного количества тепла, температура приточного воздуха не должна превышать +16,6°C, а его абсолютное влагосодержание должно быть не более 8,6 г/кг сухого воздуха для удаления избыточного количества влаги.

При минимальной тепловой нагрузке на зал (300 Вт ночью) при одном постоянно активном диффузоре температура вытяжного воздуха не будет падать ниже +18,5°C.

С точки требований, предъявляемых к проектировщику, задача решена полностью. А вот с точки зрения представителя службы эксплуатации заказчика это не так. Ведь непонятно, сможет ли данная система обеспечить требуемую точность поддержания параметров воздуха в зале. Эти же сомнения возникли и у автора статьи. Основная причина — дискретность и большой шаг изменения расхода приточного воздуха.

Для того чтобы развеять сомнения была разработана математическая модель, которая описывает поведение системы кондиционирования во времени. В её состав включены алгоритмы, которые моделируют работу теплообменникаохладителя и теплообменника-подогревателя в динамике, включая работу соответствующих клапанов, VAV-клапанов приточных диффузоров и клапана свежего воздуха.

Моделировалось изменение параметров системы в течении 24 часов. Шаг интегрирования — 0,1 с.

На промежуточном этапе решения выяснилось, что при ненулевой тепловой нагрузке на помещение и при отсутствии посетителей из-за работы теплообменника-охладителя величина относительной влажности снижается ниже допустимого значения.

Существуют два способа компенсировать этот эффект. Первый — изменять температуру охлаждающей жидкости, второй — не допускать полного закрытия клапана свежего воздуха. Первый способ ведёт к усложнению алгоритма управления, второй — требует дополнительных затрат холода, но не усложняет алгоритм. Остановились на втором способе. В результате расчётов был определён предельный угол закрытия клапана, при котором относительное влагосодержание остаётся в заданных границах. Угол, которому соответствует минимальное значение расхода свежего воздуха при отсутствии посетителей, оказался близок к 50°.

Результатом моделирования являются циклограммы изменения температуры и относительного влагосодержания вытяжного воздуха (рис. 3 и 4). График изменения величины расхода воздуха, необходимой для компенсации теплопритоков, приведён на рис. 5.

Циклограмма температуры вытяжного воздуха

Циклограмма относительного влагосодержания вытяжного воздуха

Циклограмма расхода воздуха, необходимого для компенсации теплопритоков

Расчёт показал, что концентрация углекислого газа в воздухе не превышала 1000 ppm в течении суток.

Результаты расчётов позволяют с уверенностью утверждать, что применение диффузоров с регулируемым углом атаки в схемах с перемешиванием позволяет поддерживать в приемлемых диапазонах параметры воздуха в залах музеев большой высоты.

Следует признать, что без оценки ожидаемого уровня звукового давления в регулируемых зонах зала от совместного вклада шумов, генерируемых диффузорами и VAV-регуляторами, решение не является полным. Расчёты, выполненные автором и представленные в табл. 1, показывают, что спектральный уровень звукового давления от диффузоров и VAV-регуляторов (второй столбец) не превышает NR41 (третий столбец). Это значение удовлетворяет самым высоким требованиям, предъявляемым к музеям.

Особенности построения систем вентиляции и кондиционирования воздуха в музеях. 5/2019. Фото 3