Особенности раздачи теплого воздуха в помещениях с системами воздушного отопления.

Следует отметить, что организация воздухообмена в помещениях, оборудованных системами вентиляции, совмещенными с воздушным отоплением, сопряжена с рядом трудностей по обеспечению расчетной схемы подачи теплого приточного воздуха. Под влиянием гравитационных сил может существенно изменяться схема развития струи. Так, струя нагретого воздуха, подаваемого сверху вниз, может всплывать в верхнюю зону помещения, не достигая рабочей.

В этом случае наблюдается перегрев верхней зоны и недогрев обслуживаемой. Как следствие, наряду с неудовлетворительными условиями в обслуживаемой зоне имеет место значительный перерасход тепла на обогрев помещения. Обеспеченность расчетных внутренних условий зависит в основном от двух факторов — расчетной мощности системы (тепло- и воздухопроизводительности) и надежности ее работы.

Для правильной организации воздухообмена в помещениях и эффективного обогрева рабочей зоны весьма существенное значение приобретает учет влияния «архимедовых» сил, как на траекторию приточного теплого потока, так и на общую циркуляцию воздуха в помещении. К числу местных или децентрализованных систем относятся также воздушно-отопительные агрегаты (тепловентиляторы).

Как правило, они состоят из теплообменника (водяного или электрических нагревательных элементов), вентилятора (осевого или радиального) и воздухораздающего устройства. Принцип децентрализованной вентиляции с отоплением (охлаждением) находит широкий спрос, как в зарубежных странах, так и на российском рынке. В отличие от децентрализованных (местных) систем центральные системы воздушного отопления обслуживают, как правило, помещения большого объема производственного назначения.

Они состоят из калориферной установки, сетевого оборудования и доводчиков (при наличии необходимости обеспечения различных параметров воздуха в нескольких помещениях). В местных и центральных системах воздушного отопления обязательно в качестве концевых устройств используются воздухораспределители различных конструктивных исполнений (решетки, плафоны, специальные закручиватели и др.).

При проектировании систем вентиляции, совмещенных с воздушным отоплением, необходимо правильно выбрать типоразмер воздухораспределителя, размеры обслуживаемой ими рабочей зоны, высоту установки воздухораспределителя и угол наклона приточного потока, его предельную дальнобойность, исходя из начальных условий истечения приточного воздуха и обеспечения в рабочей зоне нормируемых параметров.

Весьма существенное значение приобретает вопрос правильного определения максимальной разности температур между воздухом помещения в обслуживаемой зоне и на притоке. При правильной организации воздухораспределения скорость в приточной струе по мере приближения ее к рабочей зоне должна, как правило, падать до весьма малых величин, соизмеримых с нормируемыми.

В этих условиях, учитывая, что в неизотермических струях соотношение между гравитационными и инерционными силами вниз по потоку растет, силы вытеснения начинают оказывать существенное влияние на характер развития приточных струй. Под воздействием гравитационных сил изменяется дальнобойность струи, ее траектория, а внутри самой струи происходит перестройка скоростных и температурных полей — нарушается их подобие в поперечных сечениях.

Наиболее распространенным способом подачи теплого воздуха в такие помещения является подача в верхнюю зону по четырем схемам подачи: наклонно под углом 35° к горизонту (рис. 1, схема Б); горизонтальными струями (сосредоточенная), при которой обслуживаемая зона омывается обратным потоком (рис. 1, схема В); вертикально вниз (рис. 1, схема Г); в рабочую зону (рис. 1, схема Е). Решение проблем раздачи теплого воздуха активно занимается завод «Арктос».

С помощью его разработок в области воздухораспределения и теплового оборудования можно реализовать все четыре схемы. Рассмотрим особенности расчета каждой из упомянутых схем и способы их реализации с помощью оборудования компании «Арктос».

Схема Б

Для обеспечения наиболее равномерного распределения скоростей и температур при раздаче теплого воздуха по схеме Б ось струи должна пересекать верхний уровень обслуживаемой зоны на расстоянии x_в с координатами по длине — x_в, по высоте — z_в: X_в = 0,63H; z_в = 0,63H; а₁ = 1,58H, где H — геометрическая характеристика:

m, n — скоростной и температурный коэффициенты; F₀ — расчетное сечение воздухораспределителя; V₀ — скорость воздуха в расчетном сечении; ∆t₀ — избыточная температура приточного воздуха; ∆z_в — высота опуска вершины оси струи над уровнем рабочей зоны: ∆z_в= h₀ – z_в – h_о.з = 1 м, где а₁ — длина модуля помещения, обслуживаемого одним воздухораспределителем. При подаче воздуха сверху вниз наклонными струями максимально допустимая избыточная температура подаваемого теплого воздуха ∆t0max рассчитывается по формуле:

где β— угол, под которым струя воздуха входит в рабочую зону, β=0,67 α; α— угол наклона жалюзи решеток, град. Полученное значение сопоставляется с заданным по условиям тепловоздушного баланса для холодного периода года рассматриваемого объекта. Если рассчитанная величина ∆t0max соответствует требуемому значению для компенсации недостатков тепла в холодный период года, то проверяются параметры Vxmax, ∆txmax в обслуживаемой зоне с учетом коэффициента неизотермичности — Kн по следующим формулам:

Полученные Vxmax, ∆txmax должны быть не более нормируемых согласно заданию. Если ∆txmax, полученное расчетом, меньше ∆t0, заданного по балансу, то возможно несколько вариантов решения этой проблемы:

• 1 вариант. Недостающее тепло внести в рабочую зону, например, электрическими тепловентиляторами серии ТЭВ или «Крепыш» мощностью от 2 до 15 кВт. Более мощное отопительное оборудование от 10 до 50 кВт завод предлагает на основе водяных тепловентиляторов серии «Гольфстрим». Такое оборудование рекомендуется для обогрева цехов и мастерских, вестибюлей, складов, закрытых спортивных арен, супермаркетов и т.д.
• 2 вариант. Например, применить для раздачи теплого воздуха регулируемые решетки АМН или АДН, увеличить угол наклона жалюзи в направлении к рабочей зоне с α_min =0°C (для теплого периода) до α_max = 50°C (для холодного периода), что соответствует оптимальному развитию струи с максимальной дальнобойностью. Более подробные рекомендации по применению воздухораспределителей компании «Арктос» можно получить в «Указаниях по ВР», издание третье, Санкт-Пететербург, 2005 г. [6].
• 3 вариант. При проектировании системы воздушного отопления необходимо предусмотреть возможность отключения части воздухораздающих решеток с тем, чтобы на оставшиеся воздухораспределители увеличился расход и соответствующая скорость на истечении.

Схема В

При подаче воздуха горизонтальными струями рабочая зона обогревается обратным потоком, обслуживающим значительную площадь помещения. Течение потока вдоль помещения в этом случае иногда приводит к ощутимому различию между максимальной и минимальной температурой воздуха в зоне пребывания человека. Разность между этими температурами возрастает с уменьшением воздухообмена и с увеличением перепада температур между подаваемым и удаляемым воздухом.

Средняя температура в рабочей зоне может оказаться ниже принятой по расчету, равной ей, а также несколько превышать ее. Поэтому при сосредоточенной подаче воздуха горизонтальными струями определяется максимальная (допустимая) избыточная температура подаваемого теплого воздуха по формуле:

Максимальная скорость и избыточная температура в обслуживаемой зоне, омываемой обратным потоком, определяются по следующим соотношениям:

Минимально допустимая высота установки воздухораспределителя над уровнем пола составляет:

где: h_n — высота помещения, м; b — ширина зоны обслуживания. В качестве рекомендуемых воздухораздающих устройств можно использовать для этого: настенные решетки с подвижными жалюзи АМН, АДН и неподвижными — АЛН; диффузоры пластиковые универсальные круглые ДПУ-К, ДПУ-С; панельные воздухораспределители с турбулизирующими ячейками 1ВПТ, 1ВКТ, 2ВКТ и закручивателями 1ВПЗ. Подробные рекомендации по расчету и подбору указанных воздухораспределителей даны в материалах компании «Арктика» [6].

Схема Г

При вертикальной подаче воздуха (схема Г) распределение температур в рабочей зоне принято считать наиболее благоприятным. Важным фактором при этом является расчет струи с целью обеспечения требуемой дальнобойности струи. При определении дальнобойности неизотермических струй в расчетную зависимость для определения параметров на оси струи вводится коэффициент неизотермичности (K_н), учитывающий состояние инерционных и гравитационных сил. За расчетную температуру в рабочей зоне принимается температура на изотермической оси. Рекомендуется определять максимальную избыточную температуру приточного воздуха, при которой всплывание теплого воздуха несущественно, по формуле:

Полученное значение сопоставляется с требуемым ∆t0хол из тепловоздушного баланса для холодного периода. Если ∆t0хол ≤ ∆t0max, то определяется геометрическая характеристика по номограмме или формуле:

Рассчитывается значение Нхол/√F0. Если Нхол/√F0 ≥ 14,7, то рассчитывается коэффициент неизотермичности по формуле:

и определяются параметры воздуха в струе в холодный период года:

полученные значения сопоставляются с нормируемыми. Для раздачи теплого воздуха сверху вниз по схеме Г рационально использовать следующие воздухораспределители:

• приточные щелевые решетки АРС, АЛС длиной от 500 до 2000 мм;
• потолочные диффузоры пластиковые круглые ДПУ-М, ДПУ-К, ДПУ-С (Ø100, Ø125, Ø160, Ø200, Ø250);
• панельные воздухораспределители ВПМ, ВПТ, ВКТ или ВПЗ.

Подробная информация о конструктивных параметрах упомянутых воздухораспределителей, их аэродинамических, акустических характеристиках, а также методах подбора указана в [6].

Схема Е

В начале выполняется расчет воздухораспределения для теплого периода года, при максимальном воздухообмене, или постоянном круглогодично (расчет на ассимиляцию вредностей или компенсацию местных отсосов).

По полученным параметрам V0, F0, h0 и принятым характеристикам воздухораспределителя m и n для теплого периода определяется максимально допустимая избыточная ∆t0max температура в режиме воздушного отопления по формуле:

Полученное значение сопоставляется с требуемым ∆t0хол из тепловоздушного баланса для холодного периода. Если ∆t0max ≤ ∆t0хол, то расчет считается законченным. Если ∆t0max > ∆t0хол, то возможны четыре варианта решения.

• 1 вариант. Например, при установке панельных воздухораспределителей ВПМ за счет изменения положения подвижной веерной вставки с b = 6(8) мм в теплый период на b = 12(16) мм для холодного периода находятся новые значения коэффициентов m=1,3 и n =1,1 по таблице аэродинамических характеристик для схемы Е [6]. Указанное изменение положения подвижной вставки позволит увеличить значение ∆t0max в 2,5 раза. Если новое значение удовлетворяет заданному, то расчет считается законченным.
•  2 вариант.Применение панельных воздухораспределителей 1ВПТ, 1ВКТ, 2ВКТ с турбулизирующими ячейками
  позволяет увеличить значение ∆t0max в 1,7 раза при изменении схемы установки ячеек: для теплого периода применять по схеме закрученного потока (m = 0,4; n = 0,3); для холодного периода (воздушное отопление) изменить установку на схему комбинированного потока (m = 0,8; n = 0,7). Если новое значение удовлетворяет заданному, то расчет считается законченным.
• 3 вариант. Принимается для режима воздушного отопления ∆t0max = ∆t0хол, а недостающее тепло компенсируется с помощью тепловентиляторов. Если новое значение удовлетворяет заданному, то расчет считается законченным.
• 4 вариант При наличии технической возможности рекомендуется отключить часть воздухораспределителей, подающих воздух в помещение, увеличив тем самым расход и скорость выхода воздуха через воздухораспределитель, и пересчитать значение ∆t0max. Если полученное значение ∆t0max ≥ ∆t0хол, то рассчитываются параметры воздуха в приточной струе на расстоянии 1 м от воздухораспределителя: Vxmax при новом значении V0 и ∆t0max при ∆t0хол и сопоставляются с нормируемыми. Если новое значение удовлетворяет заданному, то расчет считается законченным.