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 Lin (сверху вверх, сверху вниз, снизу вверх или снизу вниз);
  • размеры помещения в плане и высота, м;
  • расход приточного воздуха L0 = Lin, м3/с;
  • температура приточного воздуха t0 = tin, °C;
  • нормируемая температура воздуха twz в рабочей зоне, °C;
  • нормируемая скорость воздуха Vwz в рабочей зоне, м/с.

Также могут потребоваться дополнительно:

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

Проектирование систем вентиляции и отопления. Распределение приточного воздуха. 1/2017. Фото 1

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 Vх.доп и избыточной температуры воздуха Δtx.доп принимают в зависимости от значений этих параметров в рабочей зоне (Vwz, twz) 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 Vx до 0,5Vx. Радиус зоны прямого воздействия Rwz = xtg(α0.5V) определяется следующими соотношениями

Проектирование систем вентиляции и отопления. Распределение приточного воздуха. 1/2017. Фото 2

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 Vх.доп может быть выше нормируемой скорости для рабочей зоны Vwz и определяется:

Проектирование систем вентиляции и отопления. Распределение приточного воздуха. 1/2017. Фото 3

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

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

Проектирование систем вентиляции и отопления. Распределение приточного воздуха. 1/2017. Фото 4

Значения Δtx.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.

Проектирование систем вентиляции и отопления. Распределение приточного воздуха. 1/2017. Фото 5

Проектирование систем вентиляции и отопления. Распределение приточного воздуха. 1/2017. Фото 6

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:

Проектирование систем вентиляции и отопления. Распределение приточного воздуха. 1/2017. Фото 7

где Кнас — коэффициент настилания.

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

Выбор типоразмера воздухораспределителя производится по величине допустимой начальной скорости воздуха V0.доп. Для воздухораспределителей, подающих приточный воздух непосредственно в рабочую зону, величина V0.доп не должна превышать скорости воздуха, допустимой для рабочей зоны Vwz. Для помещений общественных зданий V0.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 V0.доп, можно найти суммарную площадь всех воздухораспределителей:

Проектирование систем вентиляции и отопления. Распределение приточного воздуха. 1/2017. Фото 8

где Lin — 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:

Проектирование систем вентиляции и отопления. Распределение приточного воздуха. 1/2017. Фото 9

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:

Проектирование систем вентиляции и отопления. Распределение приточного воздуха. 1/2017. Фото 10

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 Ktv (Ktt) стеснения Кст и взаимодействия Квз. Рассчитываются параметры струи непосредственно на входе в рабочую зону по следующим зависимостям:

Проектирование систем вентиляции и отопления. Распределение приточного воздуха. 1/2017. Фото 11

и сравниваются с их допустимыми значениями.

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

Проектирование систем вентиляции и отопления. Распределение приточного воздуха. 1/2017. Фото 12

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 = Lin = 11,4 м3/с; температура приточного воздуха t0 = tin = 10,2 °C; нормируемая допустимая температура воздуха в рабочей зоне twz = 13 °C; нормируемая скорость воздуха в рабочей зоне Vwz = 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):

Проектирование систем вентиляции и отопления. Распределение приточного воздуха. 1/2017. Фото 13

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:

Проектирование систем вентиляции и отопления. Распределение приточного воздуха. 1/2017. Фото 14

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:

Проектирование систем вентиляции и отопления. Распределение приточного воздуха. 1/2017. Фото 15

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

Проектирование систем вентиляции и отопления. Распределение приточного воздуха. 1/2017. Фото 16

Тогда значение текущего числа Архимеда Arx определим как:

Проектирование систем вентиляции и отопления. Распределение приточного воздуха. 1/2017. Фото 17

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:

Проектирование систем вентиляции и отопления. Распределение приточного воздуха. 1/2017. Фото 18

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

Проектирование систем вентиляции и отопления. Распределение приточного воздуха. 1/2017. Фото 19

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:

Проектирование систем вентиляции и отопления. Распределение приточного воздуха. 1/2017. Фото 20

Площадь сечения помещения, приходящаяся на одну струю:

Проектирование систем вентиляции и отопления. Распределение приточного воздуха. 1/2017. Фото 21

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

Проектирование систем вентиляции и отопления. Распределение приточного воздуха. 1/2017. Фото 22

Найдём радиус струи R на расстоянии х1 от воздухораспределителя по формуле R = 2x1tg(α0,5V), где tg(α0,5V) — 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:

Проектирование систем вентиляции и отопления. Распределение приточного воздуха. 1/2017. Фото 23

а радиус струи составит величину:

Проектирование систем вентиляции и отопления. Распределение приточного воздуха. 1/2017. Фото 24

Проектирование систем вентиляции и отопления. Распределение приточного воздуха. 1/2017. Фото 25

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

Проектирование систем вентиляции и отопления. Распределение приточного воздуха. 1/2017. Фото 26

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:

Проектирование систем вентиляции и отопления. Распределение приточного воздуха. 1/2017. Фото 27

немного превышает допустимое значение 0,5 м/с.

Избыточная температура воздуха в обратном потоке:

Проектирование систем вентиляции и отопления. Распределение приточного воздуха. 1/2017. Фото 28

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 — text = -35 °C, температура воздуха в цехе — twz = 16 °C, скорость воздуха в проёме — V0 = 1 м/с, допустимая подвижность воздуха в рабочей зоне — Vwz = 0,5 м/с.

Допустимая скорость воздуха на оси струи на входе в рабочую зону по (4.4) составляет Vx.доп = kVwz = 1,8 × 0,5 = 0,9 м/с, допустимое отклонение температуры воздуха на оси струи по табл. 4.2 составляет Δtх.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:

Проектирование систем вентиляции и отопления. Распределение приточного воздуха. 1/2017. Фото 29

Текущее число Архимеда:

Проектирование систем вентиляции и отопления. Распределение приточного воздуха. 1/2017. Фото 30

Уравнение траектории оси струи согласно [1, 2]:

Проектирование систем вентиляции и отопления. Распределение приточного воздуха. 1/2017. Фото 31

Приведём результаты расчёта координат оси струи:

Проектирование систем вентиляции и отопления. Распределение приточного воздуха. 1/2017. Фото 32

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:

Проектирование систем вентиляции и отопления. Распределение приточного воздуха. 1/2017. Фото 33

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

Проектирование систем вентиляции и отопления. Распределение приточного воздуха. 1/2017. Фото 34

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

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

Проектирование систем вентиляции и отопления. Распределение приточного воздуха. 1/2017. Фото 35

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

Проектирование систем вентиляции и отопления. Распределение приточного воздуха. 1/2017. Фото 36

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

Проектирование систем вентиляции и отопления. Распределение приточного воздуха. 1/2017. Фото 37

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

Проектирование систем вентиляции и отопления. Распределение приточного воздуха. 1/2017. Фото 38

Абсолютное значение |Δtx| = 11 °C превышает допустимое отклонение Δtдоп = = 2 °C. Температуру воздуха на оси струи на входе в рабочую зону определим из уравнения Δtx = tx - twz, откуда:

Проектирование систем вентиляции и отопления. Распределение приточного воздуха. 1/2017. Фото 39

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.

Проектирование систем вентиляции и отопления. Распределение приточного воздуха. 1/2017. Фото 40

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.