Обычно расчет вентиляционной системы начинают с определения необходимого воздухообмена, расчета системы воздуховодов и выбора вентилятора, способного подать необходимое количество воздуха при имеющемся статическом давлении. Нередко на этом и останавливаются. При этом, поведению приточного воздуха, оказавшегося внутри помещения, в ряде случаев вообще не уделяют должного внимания. А зря. Ведь именно от этого напрямую зависит эффективность всей вентиляционной системы и комфорт внутри помещения.

В данной статье рассматриваются основные методы вентиляции - разбавлением и вытеснением, анализируется поведение изотермической и неизотермической струй воздуха и в заключение приводится пример расчета и выбора воздухораспределительных устройств.

Вентиляция методом разбавления

Вентиляция методом разбавления (или общеобменная приточная вентиляция или вентиляция сосредоточенной подачей струй) предполагает подачу в помещение одной или нескольких воздушных струй вне рабочей зоны.

При этом в помещении происходят следующие процессы. Воздушный поток захватывает большие количества внутреннего воздуха, который смешивается с приточной струей. В результате этого струя, распределяясь по помещению, расширяется, но теряет скорость. Этот процесс называется эжекцией или подсосом внутреннего воздуха приточной струей.

Движение воздуха, созданное струей, приводит к быстрому распространению приточного воздуха по всему помещению. Это значит, что вредные выделения, присутствующие во внутреннем воздухе, растворяются приточным воздухом и равномерно распределяются по всему помещению. То есть происходит разбавление вредных выделений приточным воздухом. При таком типе вентиляции распределение температуры оказывается сравнительно равномерным по всему помещению.

Важнейшим критерием при проектировании вентиляции этого типа является достаточно низкая скорость воздушной струи в рабочей зоне.

1. Изотермические свободные струи воздуха

1.1 Угол расширения струи

Воздушная струя, образованная воздухом с комнатной температурой, поступающим в помещение через отверстие, называется свободной изотермической струей. Именно она изображена на рис. 1.

                                Рис.1

Такая воздушная струя фактически состоит из пяти зон, каждая из которых имеет свои характеристики потока. В основном участке струи, который представляет наибольший интерес с практической точки зрения, создается турбулентный поток, в котором осевая скорость потока обратно пропорциональна расстоянию от отверстия.

Рассмотрим основные характеристики свободной изотермической струи.

Угол расширения. В литературе приводятся различные значения для угла расширения, обозначенного на рис. 1. В справочнике ASHRAE (Американское общество инженеров по вентиляции, охлаждению и обогреву) указано, что его величина меняется в пределах от 20° до 24°, при среднем значении - 22°. На угол расширения струи влияет форма и количество отверстий, а также геометрия помещения. Угол расширения можно искуственно увеличить с помощью насадки с лопатками или другого воздухораспределителя, однако на сравнительно коротком расстоянии от отверстия воздушный поток все равно превращается в струи указанного выше типа с углом расширения 20°-24°.

Импульс. Очевидно, что подачу воздушного потока в помещение можно рассматривать как столкновение приточного и внутреннего воздуха. Поскольку давление в свободной изотермической струе остается постоянным и равно давлению окружающего воздуха, импульс остается одинаковым по всей длине струи. Следовательно, импульс в вентиляционном отверстии равен импульсу в любом поперечном сечении струи.

Скоростной профиль струи. Исходя из закона сохранения импульса, можно вывести формулу для скорости воздушной струи. В зависимости от формы потока она будет иметь следующее математическое представление.

Осесимметричная или веерная воздушная струя:

, где

x = расстояние от отверстия, м;

vx = осевая скорость струи на расстоянии х от отверстия, м/с;

vо = скорость у вентиляционного отверстия, м/с;

Aeff = эффективная площадь вентиляционного отверстия, м2;

Aeff = q/vo, где q = расход воздуха через отверстие, м3/с;

K = выпускной коэффициент, значение которого определяется геометрией выпускного отверстия.

Плоская струя (щелевое отверстие).

Для того, чтобы обеспечить плоскую струю, отношение длины и высоты щелевого отверстия должно быть больше 10.

, где

h = высота щели, м.

При этом распределение скоростей в поперечном сечении струи описывается эмпирической формулой:

, где

y = расстояние до оси воздушной струи, м;

v = скорость воздушной струи на расстоянии у от оси в плоскости, находящейся на расстоянии х от отверстия, м;

х = расстояние по оси от отверстия, м;

vx = осевая скорость струи на расстоянии х от отверстия, м/с.

Эта формула позволяет отобразить изовелы скоростей (рис. 2), то есть совокупность точек воздушной струи, имеющих одинаковую скорость.

1.2 Эффект Коанды

                                 Рис.2

Однако на форму струи может влиять не только конструкция воздушной решетки. Если приточное отверстие расположено рядом с поверхностью ограждения, струя настилается на эту поверхность. Такие струи (рис. 3) называются настилающимися или полуограниченными. Механизм их возникновения достаточно прост. Воздушная масса, находившаяся между приточной струей и потолком, увлекается потоком. А поскольку воздух сверху не поступает, вблизи потолка создается разрежение, и струя отклоняется вверх (рис.3).

                            Рис.3

Эффект Коанды можно использовать для подачи холодного воздуха в помещение вдоль потолка, откуда приточный воздух затем опускается в рабочую зону. Эксперименты показывают, что струя будет настилаться лишь в том случае, если расстояние от приточного отверстия до потолка меньше 0,3 м. Коэффициент K, используемый для расчета скорости потока, для настилающейся струи в 

 больше, чем для свободной приточной струи. Поэтому в тех случаях, когда для воздухораспределителя указывается коэффициент K, важно знать,

где будет находиться выпускное отверстие.

Эксперименты показывают, что для настилающейся на потолок струи горизонтальный угол расширения увеличивается приблизительно до 30°, а вертикальный остается в обычном диапазоне значений - от 20° до 24°.

1.3 Дальнобойность воздушной струи

Настенный воздухораспределитель

Длина I0,2. В каталогах на воздухораспределители часто указывается длина приточной струи. Это расстояние до той точки воздушного потока, где осевая скорость струи уменьшается до оговоренного значения. Как правило, в качестве такой характеристики используется величина x0,2, т.е. расстояние до точки, где осевая скорость струи падает до значения 0,2 м/с.

Вентиляционные системы проектируются таким образом, чтобы избежать высокой скорости воздушных потоков в рабочей зоне. Как правило, приточные струи не достигают рабочей зоны, для нее существенна скорость обратных воздушных потоков.

К моменту, когда воздушная струя достигает противолежащей стены, скорость потока уменьшается до определенного значения. После этого нужно найти скорость обратного потока. Зная максимально допустимую скорость потока в рабочей зоне, можно определить допустимую конечную скорость струи вблизи противоположной стены (рис.4).

                       Рис.4

Было показано, что скорость обратного потока составляет около 70% от конечной скорости струи у противолежащей стены. Если принять, что конечная скорость приточной струи у противолежащей стены равна 0,2 м/с, то скорость обратного потока составит 0,14 м/с. Скорость 0,15 м/с часто принимается в качестве предельной для комфортных условий, следовательно, в рабочей зоне можно обеспечить хорошие условия, если выбрать воздухораспределитель с длиной струи x0,2 равной глубине помещения. Поэтому для воздухораспределителя с горизонтальным истечением струи, смонтированного на стене вблизи потолка, можно порекомендовать следующую формулу для оценки длины струи:

x0,2 = (0,7/1,0) х (глубина помещения).

Потолочный воздухораспределитель

Как правило, для потолочного воздухораспределителя приводится горизонтальная длина струи, а если он может использоваться и для вертикальной подачи воздуха, то и вертикальная. В помещениях с высотой потолка до 3,5 м горизонтальная раздача воздуха с температурой до 30-35°С не составляет проблемы. В очень высоких помещениях может понадобиться вертикальная раздача воздуха, чтобы поток достигал высоты около 1 м над уровнем пола.

                          Рис.5

Тем не менее, в целом ряде помещений, например, в гимнастических залах, удовлетворительных результатов можно добиться и с помощью горизонтальной раздачи. В этом случае температура приточного воздуха не должна превышать 30°С. На рис. 5 показана схема воздушных потоков при горизонтальной раздаче через потолочный воздухораспределитель. Обратите внимание, что воздух в помещении двигается к центру плафона. Это означает, что на поверхности потолка вокруг плафона будет накапливаться пыль.

Необходимую дальнобойности струи можно определить по аналогии с настенным воздухораспределителем. При горизонтальной раздаче через потолочный воздухораспределитель x0,2 = I/2.

При этом следует учитывать, что при монтаже воздухораспределителя на потолке струя настилается на потолок благодаря эффекту Коанды. Однако если разность температур приточного и внутреннего воздуха слишком велика, струя отрывается от потолка и слишком рано тонет в окружающем воздухе.

1.4 Максимальная длина струи

Максимальное проникновение воздушной струи в помещение. Структура воздушного потока зависит не только от формы воздухораспределителя и его положения относительно стен и потолка. Важную роль играет форма помещения. Если поперечное сечение струи достигает 40% от поперечного сечения помещения, эжекция внутреннего воздуха прекращается. Это означает, что поток не проникает на всю глубину помещения. Он разворачивается, и в виде обратного потока уходит туда, где воздух подсасывается приточной струей. При этом увеличение начальной скорости струи не помогает увеличить ее длину (и глубину проникновения потока), а приводит только к возрастанию скорости движения воздуха в приточной струе и в помещении. На рис. 6 показан такой поток.

                                      Рис.6

Максимальная глубина проникновения воздушной струи в помещение обозначается Xмакс. Эффективная длина струи немного превышает Xмакс на 1/2Н.

В оставшейся части помещения образуются один или два вторичных циркуляционных потока, в зависимости от глубины комнаты. Если отношение глубины комнаты к высоте меньше 3, можно считать, что струя проникнет до конца помещения.

2. Неизотермическая струя воздуха

2.1 Точка отрыва

При неизотермических условиях характер процесса усложняется, так как температурные воздействия на струю отклоняют ее вниз (рис. 7).

                                    Рис.7

Траектория воздушной струи. Существует эмпирическая формула для расчета отклонения траектории струи от первоначального направления Y:

Как видно из приведенной формулы отклонение струи от первоначального направления прямопропорционально разнице температуры приточного воздуха и воздуха находящегося в помещении.

Точка отрыва струи. На холодную настилающуюся струю действуют в вертикальной плоскости две силы. Уже знакомый нам эффект Коанды прижимает струю к потолку, а температурные воздействия отклоняют ее вниз. На определенном расстоянии от приточного отверстия температурное воздействие оказывается сильнее, и струя отрывается от потолка.

Эмпирическая формула позволяет найти расстояние Xm между вентиляционным отверстием и точкой отрыва. В зависисмости от формы струи она имеет следующий вид.

Коническая настилающаяся струя:

Веерная настилающаяся струя:

Траекторию струи после отрыва от потолка можно рассчитать по формуле для отклонения траектории от первоначального направления. При этом расстояние X в данной формуле измеряется от точки отрыва.

2.2 Типичные проблемы, связанные с неизотермичностью струи

При подаче в помещение холодного воздуха очень выгодно использовать эффект Коанды. Как видно из формул, настилающаяся струя не так быстро тонет в окружающем теплом воздухе и глубже проникает в помещение. Поэтому она лучше смешивается с внутренним воздухом, и подъем температуры происходит раньше, чем поток достигает рабочей зоны (рис.8).

                       Рис.8

Правда, при подаче холодного воздуха вдоль потолка очень важно обеспечить достаточно высокую начальную скорость, иначе струя не будет настилаться. В любом случае, на определенном расстоянии от приточного отверстия поток отрывается от потолка и опускается вниз.

                       Рис.9

Очевидно, что если отрыв произойдет слишком быстро, струя может попасть в рабочую зону (рис.9). Поэтому для проектирования следует воспользоваться таким критерием: расстояние до точки отрыва струи должно быть не меньше 60% от глубины комнаты или эффективной длины. В этом случае максимальная скорость воздуха в рабочей зоне будет приблизительно такой же, как при подаче изотермического воздуха. Если отрыв произойдет раньше, то высокая скорость струи и разность температур приведут к возникновению сквозняков. Расстояние до точки отрыва можно рассчитать по формулам, приведенным выше при описании неизотермических струй.

Вентиляция методом вытеснения

Вентиляция вытесняющим потоком это - способ, традиционно применяемый для вентиляции промышленных помещений. Однако его можно использовать и при комфортной вентиляции. Если все расчеты выполнены правильно, этот способ обеспечивает отвод теплоизбытков и высокую эффективность вентиляции.

При вентиляции вытесняющим потоком воздухораспределитель размещается невысоко над полом, и воздух подается с небольшой скоростью непосредственно в рабочую зону. Конвекционные потоки от людей и других источников тепла поднимаются вверх, и нагретый воздух отводится через вытяжные решетки, расположенные на потолке (рис.10).

                                     Рис.10

Правильно спроектированные системы вентиляции вытесняющим потоком обеспечивают очень высокое качество воздуха. Однако данный принцип имеет очевидные ограничения:

• воздухораспределители имеют большие размеры и занимают много места;
  
  
• воздухораспределители часто закрываются;
  
  
• скорость воздуха возрастает - проблема сквозняков;
  
  
• температурный градиент становится слишком большим.

Нужно также отметить, что наличие нескольких источников тепла, расположенных на разной высоте, осложняет ситуацию. В сочетании с движением людей и предметов в помещении это приводит к перемещению воздуха из верхнего слоя в нижележащие зоны. Фактически, это превращается в вентиляцию разбавлением.

По материалам журнала "Мир климата" N8