Хабаровский Государственный технический университет

Хабаровский Государственный технический университет
Кафедра теплотехники, теплогазоснабжения и вентиляции
ВЕНТИЛЯЦИЯ
ОБЩЕСТВЕННЫХ ЗДАНИЙ
КУРС ЛЕКЦИЙ
Разработал:
Ивашкевич А.А.
Хабаровск 2002 г.
СОДЕРЖАНИЕ
ВЕ1-разд1-понятие вентиляции.doc
ВЕ1-разд2-параметры воздуха.doc
ВЕ1-разд3-процессы обработки.doc
ВЕ1-разд4-расчетные параметры.doc
ВЕ1-разд5-поступление вредностей.doc
ВЕ1-разд6-тепловой баланс.doc
ВЕ1-разд7-требуемые воздухообмены.doc
ВЕ1-разд8-рециркуляция.doc
ВЕ1-разд9-воздушный баланс.doc
ВЕ1-разд10
ВЕ1-разд11-распределение воздуха.doc
ВЕ1-разд12
ВЕ1-разд13-воздухонагреватели.doc
ВЕ1-разд14
ВЕ1-разд15
ВЕ1-разд16
ВЕ1-разд17
ВЕ1-разд18
ВЕ1-содержание-сокращения.doc ВЕ1-разд10
В данном курсе лекций при изложении материала часто применяемые
термины будут заменены сокращениями, которые приведены ниже в таблице.
Таблица – Типовые сокращения часто применяемых терминов
Технический термин
Основные термины
Наружные ограждающие конструкции
Микроклимат
Системы обеспечения микроклимата
Вентиляция
Кондиционирование воздуха
Система кондиционирования воздуха
Система вентиляции
Воздухораспределитель
Рециркуляция
Воздухонагреватель
Воздухоохладитель
Воздухообмен
Требуемый воздухообмен
Расчетный воздухообмен
Холодильная машина
Сухой воздух
Влажный воздух
Водяной пар
Расчетные параметры
Расчетные параметры наружного воздуха
Расчетные параметры внутреннего воздуха
Расчетные параметры удаляемого воздуха
Расчетные параметры приточного воздуха
Расчетные параметры рециркуляционного воздуха
Рабочая зона
Сокращение
НОК
МК
СОМК
ВЕ
КВ
СКВ
СВЕ
ВР
РЦ
ВН
ВОХ
ВО
ТВО
РВО
ХМ
СВ
ВВ
ВП
РП
РПНВ
РПВВ
РПУВ
РППВ
РПРВ
РЗ
Индексы
Приточный
Удаляемый
Внутренний
Наружный
Рециркуляционный
После адиабатического охлаждения
После калорифера
После калорифера
В рабочей зоне
п
у
в
н
р
а
к
к
рз
Подробное содержание
1. ПОНЯТИЕ ВЕНТИЛЯЦИИ
1.1. Понятие вентиляции, ее назначение и основные задачи
1.2. Требования, предъявляемые к вентиляции
1.2.1. Санитарно-гигиенические требования
1.2.2. Технологические требования
1.2.3. Энергетические требования
1.2.4. Экономические требования
1.2.5. Конструктивно-технологические требования
1.2.6. Эксплуатационные требования
1.2.7. Требования пожарной безопасности
1.2.8. Экологические требования
1.2.9. Архитектурно-строительные требования
1.2.10. Строительно-монтажные требования
1.3. Классификация систем вентиляции
2. ВЛАЖНЫЙ ВОЗДУХ И ЕГО ПАРАМЕТРЫ
2.1. Основные параметры влажного воздуха.
2.1.1. Плотность
2.1.2. Теплоемкость
2.1.3. Температура
2.1.4. Влагосодержание
2.1.5. Парциальное давление водяного пара
2.1.6. Относительная влажность
2.1.8. Температура точки росы
2.1.7. Энтальпия (теплосодержание)
2.1.9. Температура по мокрому термометру
2.2. I-d диаграмма влажного воздуха
2.3. Определение параметров влажного воздуха на I-d диаграмме.
3. ПРОЦЕССЫ ИЗМЕНЕНИЯ СОСТОЯНИЯ ВЛАЖНОГО ВОЗДУХА
3.1. Понятие процесса изменения состояния влажного воздуха
3.2. Угловой коэффициент луча процесса
3.3. Процессы нагрева и охлаждения воздуха
3.1.1. Чистый нагрев
3.1.2. Чистое охлаждение
3.1.3. Охлаждение с конденсацией
3.4. Процесс адиабатического охлаждения воздуха
3.5. Процесс увлажнения воздуха паром
3.6 Обработка воздуха сорбентами
3.7. Смешение двух количеств влажного воздуха
4. РАСЧЕТНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ВОЗДУХА В ВЕНТИЛЯЦИОННОМ
ПРОЦЕССЕ
4.1. Понятие вентиляционного процесса
4.2. Расчетные параметры наружного воздуха
4.3. Расчетные параметры внутреннего воздуха
4.4. Расчетные параметры приточного воздуха
4.5. Расчетные параметры удаляемого воздуха
5. ПОСТУПЛЕНИЕ ВРЕДНОСТЕЙ В ПОМЕЩЕНИЕ
5.1. Понятие вредности
5.2. Предельно-допустимые концентрации вредных веществ ПДКрз
5.3. Классы опасности вредных веществ
5.4. Основные вредности и их влияние на самочувствие человека
5.5. Расчет поступления вредностей от людей
5.6. Расчет теплопоступлений в помещения общественных зданий
5.6.1. Теплопоступления от системы отопления
5.6.2.Теплопоступления от источников искусственного освещения
5.6.3. Теплопоступления от солнечной радиации через окна
5.6.4. Теплопоступления от солнечной радиации через покрытие
6. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС РАСЧЕТНОГО ПОМЕЩЕНИЯ
7. ТРЕБУЕМЫЕ ВОЗДУХООБМЕНЫ
7.1. Понятие требуемого воздухообмена и принципы его расчета
7.2. Построение прямоточных процессов на I-d диаграмме
7.3. Расчет требуемых воздухообменов
7.4. Расчет воздухообменов по кратности
7.5. Выбор расчетного воздухообмена
8. РЕЦИРКУЛЯЦИЯ ВОЗДУХА В СИСЕМАХ ВЕНТИЛЯЦИИ
8.1. Сущность и назначение рециркуляции
8.2. Схемы рециркуляции
8.3. Рециркуляция в центральных приточных установках
8.4. Отображение процессов с рециркуляцией на I-d диаграмме
1. ПОНЯТИЕ ВЕНТИЛЯЦИИ
1.1. Понятие вентиляции, ее назначение и основные задачи
Воздух, находящийся внутри помещений, может изменять свой состав, температуру и влажность под действием самых разнообразных факторов: изменений параметров наружного (атмосферного) воздуха, выделения
тепла, влаги, пыли и вредных газов от людей и технологического оборудования. В результате воздействия этих факторов воздух помещений может
принимать состояния, неблагоприятные для самочувствия людей или препятствующие нормальному протеканию технологического процесса. Чтобы избежать чрезмерного ухудшения качества внутреннего воздуха, требуется
осуществлять воздухообмен, то есть производить смену воздуха в помещении. При этом из помещения удаляется загрязненный внутренний воздух и
взамен подается более чистый, как правило, наружный, воздух.
Таким образом, основной задачей вентиляции является обеспечение воздухообмена в помещении для поддержания расчетных параметров внутреннего воздуха.
Вентиляцией называется совокупность мероприятий и
устройств, обеспечивающих расчетный воздухообмен в помещениях.
Вентиляция (ВЕ) помещений обычно обеспечивается при помощи одной или нескольких специальных инженерных систем – систем вентиляции
(СВЕ), которые состоят из различных технических устройств. Эти устройства
предназначены для выполнения отдельных задач: нагревание воздуха (воздухонагреватели), очистка (фильтры), транспортирование воздуха (воздуховоды), побуждение движения (вентиляторы), распределение воздуха в помещении (воздухораспределители), открывание и закрывание каналов для движения воздуха (клапана и заслонки), снижение уровня шума (шумоглушители),
снижение вибрации (виброизоляторы и гибкие вставки), и многое другое.
Кроме применения технических устройств для нормального функционирования вентиляции требуется реализация некоторых технических и организационных мероприятий. Так, для снижения уровня шума требуется соблюдение
нормируемых скоростей воздуха в воздуховодах, для снижения утечек воздуха из воздуховодов качественное их изготовление и монтаж, а также использование герметизирующих материалов. Требуется обеспечить правильное управление работой СВЕ, что достигается использованием средств автоматики в совокупностьи с ручным управление и настройкой.
Особо следует отметить, что ВЕ должна обеспечивать не просто воздухообмен (ВО), а расчетный воздухообмен (РВО). Таким образом, устройство ВЕ требует обязательного предварительного проектирования, в про-
цессе которого определяется РВО, конструкция системы и режимы работы
всех ее устройств. Поэтому ВЕ не следует путать с проветриванием, которое
представляет неорганизованный воздухообмен. Когда житель открывает
форточку в жилой комнате, это еще не вентиляция, так как неизвестно,
сколько воздуха требуется, и сколько его в действительности поступает в
помещение. Если же выполнены специальные расчеты, и определено, сколько воздуха надо подать в данное помещение и на какой угол надо открыть
форточку, чтобы именно такое количество его и поступало в помещение, то
можно говорить об устройстве вентиляции с естественным побуждением
движения воздуха.
СВЕ относятся к системам обеспечения микроклимата помещений.
Общая иерархия СОМК выглядит следующим образом:
1) Ограждающие конструкции зданий (НОК);
2) Системы отопления (СО);
3) Системы вентиляции (СВЕ);
4) Системы кондиционирования воздуха (СКВ).
Таким образом, в общей иерархии СОМК СВЕ занимают место между СО и СКВ.
НОК являются основой для создания микроклимата (МК). Именно за
счет их и формируется определенный ограниченный объем, называемый зданием (помещением). Без НОК нет помещения и, следовательно, бессмысленно говорить о понятии МК.
НОК способны защитить от или ослабить воздействие следующих
факторов:
 атмосферные осадки;
 воздействие ветра;
 воздействие прямых солнечных лучей;
 резкие изменения температуры.
Лишь в отдельных случаях, при наличии тепловых поступлений в помещение, НОК способны обеспечить в холодное время требуемый температурный режим в помещении. В подавляющем большинстве случаев использования только НОК недостаточно для поддержания требуемой температуры
в помещении, поэтому для этого требуется использование дополнительных
систем — ОТ, СВЕ, СКВ или их сочетания.
СО является инженерной системой, предназначенной для поддержания в помещениях только требуемой температуры. Поддержание на должном
уровне других параметров МК эта система обеспечить не может. Поддержание заданной температуры обеспечивается системой СО за счет дополнительного притока тепла в помещение от нагревательных приборов или за счет
подачи нагретого воздуха, как правило, в режиме рециркуляции (РЦ).
СВЕ является более развитой инженерной системой. Она способна
обеспечивать поддержание на требуемом уровне более широкого набора параметров воздуха:





температура (не во всех случаях);
подвижность (скорость);
относительная влажность (не во всех случаях);
запыленность;
концентрация вредных веществ.
СВЕ, как правило, не имеет устройства для охлаждения воздуха и
осушения. Поэтому в теплое время года она не всегда способна обеспечить
поддержание температуры и влажности в помещении на оптимальном
уровне. Учитывая это, СВЕ обычно рассчитывается на поддержание не оптимальных, а допустимых параметров внутреннего воздуха. Тем не менее, при
определенных состояниях наружного воздуха, СВЕ не способна обеспечить
даже допустимые параметры. Например, летом при высокой влажности
наружного воздуха (около 100%) невозможно обеспечить в помещении с избытками влаги относительную влажность внутреннего воздуха в пределах
75%.
СКВ является наиболее сложной, совершенной и мощной системой,
которая в комплексе с НОК способна обеспечить в помещении поддержание
всех заданных параметров воздуха на требуемом уровне с заданной степенью
обеспеченности (надежности).
Четкой границы между СВЕ и СКВ нет. В традиционном понимании
СКВ отличается от СВЕ только наличием источника искусственного холода
(холодильная машина ХМ) и воздухоохладителя той или иной конструкции.
В некоторых случаях (в жарком и сухом климате) возможен промежуточный
вариант испарительного (адиабатического) охлаждения воздуха без использования ХМ. В этом случае говорят о неполном кондиционировании или вентиляции с испарительным охлаждением.
Кроме того, системы СВЕ и СКВ часто выполняют роль систем воздушного отопления, подавая в помещение перегретый воздух. В этом случае
говорят о воздушном отоплении, совмещенном с вентиляцией.
При выполнение основной задачи ВЕ – создание воздухообмена в помещениях здания – СВЕ связаны определенным образом с самим помещением и с наружным воздухом. Воздух при работе СВЕ перемещается из атмосферы снаружи здания внутрь его через отверстия и проемы в НОК, каналы и
воздуховоды СВЕ, и поступает внутрь помещений через воздухораспределительные устройства (ВР), а затем аналогичным образом удаляется из помещения в атмосферу. Весь этот процесс объединяется понятием воздушный
режим здания (ВРЗ). Вопросы, связанные с ВРЗ делят на три задачи (группы): внутреннюю, краевую и внешнюю.
Вопросы внутренней задачи касаются моментов, связанных с расчетом параметров воздуха и его движения в самом помещении:
 расчет выделения вредных веществ, тепла и влаги в помещении;
 расчет работы местных отсосов от технологического оборудования
и местной приточной вентиляции (душирование);
 расчет требуемого воздухообмена, то есть количества подаваемого
воздуха;
 расчет параметров воздуха в помещении, равномерности их распределения по площади или объему помещения;
 расчет параметров приточных и вытяжных струй, создаваемых
вентиляционными отверстиями, решетками и воздухораспределителями.
Вопросы краевой задачи касаются моментов, связанных с расчетом
движения воздуха из атмосферы в помещение через различные устройства:
 расчет инфильтрации воздуха в помещения и эксфильтрации его из
помещений через неплотности в НОК (неорганизованный воздухообмен);
 расчет площади приточных и вытяжных проемов при аэрации;
 расчет размеров вентиляционных каналов и потерь давления при
движении воздуха пол ним;
 выбор способа обработки воздуха и расчет требуемого вентиляционного оборудования;
 расчет воздушной завесы для защиты проемов от чрезмерного проникновения наружного воздуха.
Вопросы внешней задачи касаются моментов, связанных с расчетом
движения воздуха в атмосфере и около НОК:
расчет ветровых давлений, создаваемых на наружной поверхности
НОК;
выбор мест расположения воздухозаборных, приточных и вытяжных
проемов;
расчет максимально-допустимого количества выбросов, не приводящего к загрязнению площадки;
расчет концентраций вредных веществ в приземном слое, проветривания территории площадки, выбор оптимального расположения здания.
1.2. Требования, предъявляемые к вентиляции
При проектировании СВЕ приходится стремиться, чтобы они как
можно лучше удовлетворяли самым различным требованиям: санитарногигиеническим, экономическим, энергетическим, пожарной безопасности и
другим. К сожалению, как и для любого технического решения, создание
идеальной системы, абсолютно полно удовлетворяющей всем требованиям
одновременно, в принципе невозможно. Например, установка дополнитель-
ного оборудования повышает возможности системы, однако растет ее стоимость, увеличиваются затраты энергии при эксплуатации, усложняется ремонт. Установка современных систем автоматики облегчает эксплуатацию
систем. однако ремонт становится доступным только высококвалифицированному персоналу. Примеры можно продолжать до бесконечности. Поэтому
следует всегда помнить, что любое техническое решение, в том числе и
СВЕ, есть определенный компромисс между выполнением противоречивых требований, предъявляемых к нему.
Разберем подробнее, какие же основные требования предъявляются к
СВЕ. Вначале дадим их общий перечень:
1) санитарно-гигиенические;
2) технологические;
3) энергетические;
4) экономические;
5) конструктивно-технологические;
6) эксплуатационные;
7) пожарной безопасности;
8) экологические;
9) архитектурно-строительные;
10) строительно-монтажные.
1.2.1. Санитарно-гигиенические требования заключаются в том,
что вентиляция должна обеспечивать в помещениях состояние воздуха, соответствующее требованиям санитарных норм. В помещениях должны поддерживаться установленные значения температуры, влажности, концентрации вредных веществ. Особое внимание следует обратить на запыленность
воздуха, так как многие СВЕ в нашей стране эксплуатируются без фильтров,
состояние покрытий приточных камер, вентиляционных шахт и холодных
камер не соответствуют современным требованиям. Современные конструкции установок предусматривают обязательную очистку воздуха. Специальные покрытия внутренней поверхности приточных камер допускают их
влажную уборку, а иногда и полную промывку водой. Предпочтение отдается гладким металлическим и пластмассовым поверхностям. Современные
фильтры позволяют производить очистку от любых пылей и микроорганизмов, производить озонирование и одорироваание воздуха.
1.2.2. Технологические требования заключаются в том, что вентиляция должна обеспечивать в помещениях состояние воздуха, соответствующее
требованиям протекающего технологического процесса. Многие технологические процессы, особенно связанные с обработкой гигроскопических материалаов, весьма чувствительны к температуре и влажности внутреннего воздуха. типичным примером являются предприятия легкой (текстильные. прядильные и трикотажные фабрики, полиграфические предприятия и др.) и
пищевой промышленности. В этом случае внутренние параметры назначаются, исходя из требований именно технологического процесса а не комфорт-
ного ощущения людей. Во многих случаях для обеспечения требуемых параметров приходится использовать СКВ, а не СВЕ.
1.2.3. Энергетические требования заключаются в том, что СВЕ
должны выполнять возложенные на них функции при минимальном потреблении тепловой и электрической энергии. Выполнение данного требования
обеспечивается внедрением современных методов конструирования оборудования и современных технологий его изготовления, правильным выбором
размеров оборудования и вентиляционных каналов, использованием более
эффективного и экономичного оборудования, использованием вторичных
энергетических ресурсов (в первую очередь использованием теплоты удаляемого вентиляционного воздуха), применением современных цифровых систем автоматического регулирования (САР). Использование современных
САР позволяет оптимизировать работу оборудования в самых различных режимах и эффективно управлять даже очень сложными системами, добиваясь
минимума потребления энергии. Тщательное конструирование поверхностей,
обтекаемых воздушным потоком позволяет также существенно снизить аэродинамическое сопротивление отдельных элементов систем, улучшить энергетические характеристики вентиляторов и насосов. Применение современных электродвигателей с внешним ротором, использование инверторных
преобразователей для регулирования скорости вращения колес вентиляторов
и насосов, разработка новых конструкций подшипников, улучшение тепловой изоляции оборудования – все это меры, направленные на снижение энергопотребления СВЕ.
1.2.4. Экономические требования заключаются в том, что стоимость
самой СВЕ и стоимость ее эксплуатации должны быть как можно ниже.
Иными словами, вентиляция должна быть доступна по цене, иначе просто от
нее откажутся. К сожалению, это требование является наиболее сложно выполнимым. особенно в наши дни. Стоимость качественного оборудования
достаточно высока, стоимость тепловой и электрической энергии непрерывно растет – все это приводит к тому, что современные системы вентиляции
недоступны малообеспеченному потребителю. И, несмотря на заведомо более низкое качество оборудования, заказчик часто приобретает именно его,
ориентируясь на более низкую цену. В некоторых случаях СВЕ сооружаются
чисто номинально, для отвода глаз, с целью приема их службами санитарного надзора, чтобы получить разрешение на пуск предприятия. О дальнейшей
их эксплуатации заказчик даже не думает. При таком подходе заказчик покупает, разумеется, самое дешевое оборудование, часто негодное к эксплуатации. Результатом становится абсолютно неприемлемое состояние воздушной
среды на некоторых предприятиях.
Следует отметить, что стоимость СВЕ и затраты на нее – это разные
вещи. Приведенные годовые затраты складываются из капитальной стоимости, деленной на срок эксплуатации системы, и эксплуатационных затрат
(годовая стоимость тепловой и электрической энергии, ремонта оборудования, зарплата обслуживающего персонала).
П=К/Т+Э
При таком способе оценки изначально более дорогая система, но
имеющая больший срок эксплуатации, меньшее энергопотребление и не
нуждающаяся в ремонтах, будет иметь меньшие приведенные годовые затраты.
1.2.5. Конструктивно-технологические требования заключаются в
том, что конструкция СВЕ должна обеспечивать современные эффективные
способы их производства. Элементы СВЕ должны изготавливаться на современном, уже достигнутом уровне технологии производства, с надлежащей
степенью точности и соответствующим качеством. На передовых предприятиях производство элементов СВЕ осуществляется на автоматизированных и
роботизированных линиях и отдельных станках, управляемых программно.
Следует признать, что только такой уровень производства способен обеспечить высокую надежность и полную идентичность изготавливаемых элементов. Субъективный фактор максимально убран из самого процесса производства. Кроме того, такой подход в массовом производстве позволяет существенно снизить стоимость изготовления оборудования.
Совершенствование конструкции и технологии изготовления приводят к тому, что из конструкции оборудования по возможности максимально
убираются дорогие и трудоемкие винтовые соединения, предпочтение отдается креплению на защелках. Тщательно отрабатываются конфигурации всех
несущих панелей, каркасов и элементов корпусов. Большинство неответственных деталей изготавливается из пластмассы. Везде, где можно, используются штампованные детали. На наружные поверхности корпусов оборудования декоративные покрытия наносятся автоматическими линиями, что гарантирует их высокую прочность и стойкость.
1.2.6. Эксплуатационные требования заключаются в том, что в процессе функционирования СВЕ ее эксплуатация должна быть минимально
трудоемкой. Это достигается в первую очередь увеличением ресурса работы
оборудования, что исключает необходимость частого обслуживания или ремонта. Например, современные герметизированные подшипники не требуют
обслуживания и смены смазки в течение всего срока службы вентиляторов.
Доступ к обслуживаемым элементам оборудования должен быть максимально облегчен. Для этого в конструкции приточных установок предусматривают люки и дверцы, в некоторых случаях обслуживаемые фильтры и воздухонагреватели выдвигаются наружу на специальных салазках. Компоновка агрегатов выполняется таким образом, чтобы замена приводных ремней, смена
фильтров или их чистка, проверка работы клапанов и другие операции не вызывали затруднений. Иногда предусматривают дополнительную подсветку
внутри приточных установок для визуального контроля состояния оборудования. В больших установках допускается влажная уборка внутренней поверхности.
Несмотря на высокую ремонтнопригодность современного оборудования, сложность его конструкции приводит к тому, что техническое обслуживание и ремонт должны производить только специально обученные специалисты.
1.2.7. Требования пожарной безопасности заключаются в том, что
должна быть исключена возможность возникновения пожара при эксплуатация СВЕ. Это достигается применением специальных защитных отключающих устройств на воздухонагревателях и двигателях вентиляторов, насосов и
компрессоров. Кроме того, если СВЕ обслуживает пожаро- или взрывоопасное помещение, используемое оборудование должно быть выполнено во
взрывозащищенном исполнении. При необходимости на вентиляционных каналах устанавливаются специальные огнезадерживающие клапаны. Воздуховоды и конструкция корпусов оборудования должны обладать требуемой
степенью огнестойкости, что достигается использованием негорючих материалов для воздуховодов, тепловой изоляции, герметизирующих материалов.
1.2.8. Экологические требования заключаются в том, что работа
СВЕ не должна негативно сказываться на состоянии окружающей среды.
Например, использование новых хладагентов в СКВ вместо хлорсодержащих
фреонов 12 и 22 уменьшает выброс в атмосферу веществ. разрушающих озоновый слой. Для конструкции пластмассовых деталей выбираются синтетические материалы, не содержащие и не выделяющие вредных веществ. Производится очистка выбрасываемого в атмосферу воздуха, чтобы избежать ее
загрязнения. Снижение энергопотребления уменьшает тепловое загрязнение
окружающей среды.
1.2.9. Архитектурно-строительные требования заключаются в том,
что отдельные элементы СВЕ, расположенные внутри помещений (воздухораспределители, решетки, воздуховоды, местные отсосы от оборудования),
не должны нарушать их внутренний интерьер. Сама СВЕ должна органически вписываться в конструкцию здания. Необходимость прокладки воздуховодов и размещения вентиляционного оборудования не должны существенно
усложнять конструкцию здания. Желательно, чтобы оборудование СВЕ занимало как можно меньше места и не занимало бы полезной производственной площади. С этой целью его располагают на вспомогательных площадках
и специально отведенных технических помещениях.
Предполагаемое расположение оборудования и воздуховодов не
должно нарушать целостности строительных конструкций здания, потерю их
несущей способности. Не допускается, например, при прокладке воздуховода
через перекрытие пробивать отверстие по ребру плиты, так как это ослабляет
ее несущую способность. Нагрузка от оборудования на колонны и плиты перекрытий должна быть в допустимых пределах, в противном случае следует
предусматривать усиление конструкций. тяжелое оборудование предпочтительнее располагать в подвале во избежание больших нагрузок на конструкции и возникновения сильных вибраций при работе оборудования. Прокладка вытяжных воздуховодов и шахт через гидроизоляционное покрытие кровли не должна нарушать его целостность.
Следует отметить, что и архитектор при проектировании конструкции
здания также должен обязательно учитывать предполагаемое расположение
вентиляционного оборудования и возможную трассировку воздуховодов,
чтобы облегчить будущее проектирование СВЕ и СКВ. Для этого помещения
под вентиляционные камеры и оборудование следует размещать в удаленных
от основных помещений местах (чтобы уменьшить уровень шума), но так,
чтобы не затруднялась прокладка воздуховодов в вентилируемые помещения. Целесообразно иметь несколько вентиляционных камер в разных концах
большого здания, чтобы исключить прокладку длинных воздуховодов. При
прокладке воздуховодов по коридорам целесообразно иметь запас по высоте,
чтобы расположить воздуховоды за подшивными потолками. Эффективным
средством упрощения трассировки воздуховодов в многоэтажных зданиях
является устройство специального технического этажа наверху здания, на котором без труда может быть размещено как приточное, так и вытяжное оборудование. Для прокладки вертикальных каналов и воздуховодов следует
предусматривать специальные шахты, или закрывать воздуховоды фальшстенами из легких материалов.
В настоящее время для внутренней отделки помещений широко применяются гипсоволокнистые листы, которые крепятся к стенам на специальные профили из стали. При использовании такой технологии декоративное
укрытие любого воздуховода не представляет труда при условии, что имеется определенный запас размеров по высоте и ширине помещений.
1.2.10. Строительно-монтажные требования заключаются в том, что
конструкция СВЕ должна предусматривать технологичные способы монтажа
воздуховодов и оборудования на объекте, обеспечивающие надлежащее качество сборки системы. Особое внимание следует уделять герметизации
уплотнений при соединении звеньев воздуховодов и присоединении элементов оборудования. Элементы крепления к конструкциям не должны их повреждать, должны быть унифицированы, их изготовление должно быть организовано в массовом производстве. При необходимости для монтажа может
использоваться специализированный инструмент. Тяжелые элементы оборудования должны иметь раму или каркас с отверстиями для строповки. Габаритное оборудование должно быть по возможности разборным для облегчения транспортировки и доставки в помещения вентиляционных камер.
Современные фирмы-производителя разрабатывают детальные инструкции по монтажу с указанием последовательности и правил выполнения
отдельных операций. При необходимости оборудование снабжается встроенными уровнями для контроля горизонтальности или вертикальности установки. Болтовые соединения все больше заменяются тщательно проработанными защелочными конструкциями, обеспечивающими быструю сборку. Для
присоединения воздухораспределительных устройств, местных отсосов, ответвлений к магистралям все чаще используют гибкие воздуховоды, позволяющие эффективно компенсировать неточности монтажных размеров. Вместо прокладок интенсивно используются самозастывающие герметики. Тяжелые и трудоемкие фланцевые соединения заменяются более легкими и
технологичными ниппельными и бандажными. для пробивки и сверления отверстий в стенах применяются мощные и производительные перфораторы.
Для уменьшения количества соединений на прямых участках воздуховодов
применяют спирально-шовные воздуховоды, которые могут быть изготовлены любой длины.
1.3. Классификация систем вентиляции
Вентиляционная система – это совокупность устройств для обработки,
транспортирования, подачи и удаления воздуха. СВЕ можно классифицировать в зависимости от их функционального назначения и принципиальных
конструктивных особенностей.
1) По назначению СВЕ делятся на приточные и вытяжные.
Фактически это есть деление по направлению движения перемещаемого воздуха: приточные системы подают воздух в помещение, а вытяжные
удаляют воздух из него.
Приведенное деление достаточно условно, так как кроме чисто приточных и вытяжных систем, которые являются прямоточными, существуют
смешанные системы с рециркуляцией воздуха, которые фактически являются приточно-вытяжными. Чисто рециркуляционная система, работающая
при 100% рециркуляции, не подает и не удаляет воздух из помещения — она
просто обеспечивает циркуляцию внутреннего воздуха. Тем не менее, систему относят к приточному или вытяжному типу в зависимости от того, подает
или удаляет она воздух от обслуживаемого оборудования или зоны.
2) По обслуживаемой зоне СВЕ делятся на общеобменные и
местные.
Общеобменные СВЕ (как приточные, так и вытяжные) обслуживают
весь объем помещения, а иногда и нескольких помещений. В отличие от них
местные приточные системы предназначены для обслуживания лишь небольшой зоны помещения (воздушное душирование, воздушные оазисы), а
местные вытяжные системы предназначены для удаления воздуха от конкретного оборудования для удаления выделяющихся в нем вредностей.
Местные системы активно применябтся в промышленных зданиях, где есть
отдельные единицы оборудования и отдельные обслуживаемы рабочие зоны
на большой площади цехов. В общественных зданиях используются практически только общеобменные СВЕ.
3) По способу побуждения движения воздуха СВЕ делятся на системы с механическим побуждением и системы с естественным побуждением.
Естественное побуждение – это воздействие естественных сил: гравитации (естественное гравитационное давление, создаваемое за счет разности
температур и плотностей наружного и внутреннего воздуха) и ветра. Механическое побуждение создается обычно вентиляторами.
В разговорной речи для краткости часто системы с механическим побуждением называют механическими системами, а системы с естественным
побуждением – естественными системами.
4) По наличию воздуховодов СВЕ делятся на канальные и бесканальные.
Бесканальные системы не имеют воздуховодов для транспортирования воздуха. типичным примером является открытое окно для притока свежего воздуха. очевидно, что бесканальные системы могут применяться только для помещений, расположенных около НОК. Отсутствие воздуховодов
снижает стоимость систем.
Канальные системы могут обслуживать удаленные помещения, расположенные в любой точке здания. Возможна рассредоточенная подача воздуха в помещение через несколько воздухораспределителей. Оборудование
канальных систем может быть расположено на расстоянии от обслуживаемых помещений в удобном месте.
В зависимости от конкретных условий следует выбирать такой тип
системы, при котором обеспечивалось бы выполнение поставленных задач
при минимальных затратах. Часто помещения, особенно производственные,
обслуживаются несколькими системами одновременно
На рисунке 1.1. приведено несколько вариантов СВЕ с указанием их
описание в соответствии с выше приведенной классификацией.
2
3
4
5
3
8
9
7
1
1 – Приточная прямоточная общеобменная канальная система с механическим побуждением движения воздуха;
2 – Вытяжная местная канальная система с механическим побуждением движения воздуха;
3 – Вытяжная общеобменная канальная система с естественным побуждением движения воздуха;
4 – Вытяжная общеобменная бесканальная система с механическим
побуждением движения воздуха;
5 – Вытяжная общеобменная бесканальная система с естественным
побуждением движения воздуха;
6 – Приточная общеобменная бесканальная система с естественным
побуждением движения воздуха;
7 – Приточная местная бесканальная система с механическим побуждением движения воздуха и 100% рециркуляцией.
8 – Приточная прямоточная общеобменная бесканальная система с
механическим побуждением движения воздуха;
9 – Приточная общеобменная канальная система с механическим побуждением движения воздуха и частичной рециркуляцией.
Рисунок 1.1. – Системы вентиляции производственного помещения
6
2. ВЛАЖНЫЙ ВОЗДУХ И ЕГО ПАРАМЕТРЫ
2.1. Основные параметры влажного воздуха
Как известно, сухой воздух (СВ) состоит на 78% из азота, на 21% из
кислорода и около 1% составляют диоксид углерода, инертные и другие газы. Если в воздухе имеются водяные пары, то такой воздух называется
влажным воздухом (ВВ). Учитывая, что при вентиляции помещений состав
сухой части воздуха практически не изменяется, а может изменяться только
количество влаги, в вентиляции принято рассматривать ВВ как бинарную
смесь, состоящую только из двух компонентов: СВ и водяные пары (ВП).
Хотя к этой смеси применимы все газовые законы, однако при вентиляции с
достаточной точностью можно считать, что воздух практически все время
находится под атмосферным давлении, так как давления вентиляторов достаточно малы по сравнению с барометрическим давлением. Нормальное атмосферное давление составляет 101,3 кПа, а давления, развиваемые вентиляторами, составляют обычно не более 2 кПа. Поэтому нагрев и охлаждение воздуха в вентиляции происходят при постоянном давлении.
Из термодинамических параметров ВВ, которыми оперируют в курсе
вентиляции, можно выделить следующие:
1) плотность;
2) теплоемкость;
3) температура;
4) влагосодержание;
5) парциальное давление водяного пара;
6) относительная влажность;
7) температура точки росы;
9) энтальпия (теплосодержание);
9) температура по мокрому термометру.
Термодинамические параметры определяют состояние ВВ и определенным образом связаны друг с другом. Особыми, не термодинамическим
параметром, являются подвижность, то есть скорость воздуха, и концентрация вещества (кроме влаги). Они никак не связаны с остальными термодинамическими параметрами и могут быть любыми независимо от них.
Под воздействием различных факторов влажный воздух может изменять свои параметры. Если воздух, заключенный в некотором объеме
(например, помещении), находится в контакте с горячими поверхностями, он
нагревается, то есть повышается его температура. При этом нагреву подвергаются непосредственно те слои, которые граничат с горячими поверхностями. Из-за нагрева изменяется плотность воздуха, и это приводит к возникновению конвективных течений: происходит процесс турбулентного обмена. За
счет наличия турбулентного перемешивания воздуха в процессе вихреобразования воспринятая пограничными слоями теплота постепенно передается
более удаленным слоям, в результате чего весь объем воздуха как-то повышает свою температуру.
Из рассмотренного примера ясно, что слои близкие к горячим поверхностям, будут иметь температуру более высокую, чем удаленные. Иначе говоря, температура по объему не одинакова (и иногда различается весьма значительно). Поэтому температура, как параметр воздуха, в каждой точке будет
иметь свое индивидуальное, локальное значение. Однако характер распределения локальных температур по объему помещения предсказать крайне
трудно, поэтому в большинстве ситуаций приходится говорить о неком
среднем значении того или иного параметра воздуха. Среднее значение температуры выводится из предположения, что воспринятое тепло окажется
равномерно распределено по объему воздуха, и температура воздуха в каждой точке пространства будет одинакова.
Более-менее изучен вопрос о распределении температуры по высоте
помещения, однако даже в этом вопросе картина распределения может сильно изменяться под действием отдельных факторов: струйных течений в помещении, наличия экранирующих поверхностей строительных конструкций
и оборудования, температуры и размеров тепловых источников.
Рассмотрим термодинамические параметры ВВ.
2.1.1. Плотность
Плотностью называется масса вещества в единице объема. Единица
измерения плотности кг/м3. Плотность газов зависит от молекулярной массы,
давления и температуры. Средняя молекулярная масса сухого воздуха равна
29, а молекулярная масса ВП – 18. Плотность всех газов уменьшается с повышением температуры, так как при нагревании при постоянном давлении
они расширяются. Для сухого воздуха при 20 °С плотность равна 1,2 кг/м3.
При других значениях температуры ее можно вычислить по формуле
ρt = 353 / (273 + t)
Плотность ВП может быть определена по формуле
ρt = 219 / (273 + t)
Плотность ВВ меньше плотности СВ, так как ВП имеет меньшую молекулярную массу, чем СВ. Однако учитывая, что количество водяных паров
в воздухе относительно невелико, уменьшением плотности в практических
расчетах можно смело пренебречь. Так, при температуре воздуха 20 °С в воздухе может находиться около 14 г влаги на 1 кг сухого воздуха, что даст при
вычислении плотности погрешность не более 0,7%.
2.1.2. Теплоемкость
Теплоемкостью называется количество теплоты, требуемое для нагрева 1 кг вещества на 1 °С. Теплоемкость сухого воздуха при постоянном
давлении равна 1,005 кДж/(кг °С). Теплоемкость водяных паров равна 1,8
кДж/(кг °С). Точно также, как и с плотностью, в практических расчетов пре-
небрегают изменением теплоемкости ВВ, связанным с наличием в воздухе
водяных паров, и считают теплоемкость ВВ равной теплоемкости СВ, то есть
1,005. более того, в прикидочных расчетах можно принимать с = 1, что даст
ошибку 0,5% в сторону уменьшения результата вычислений. Учитывая значительно более низкую точность расчетов в вентиляции, связанную с неопределенностью многих исходных данных, а также тот факт, что любое
оборудование подбирается с запасом, погрешность самих вычислений в 0,5%
вполне допустима.
2.1.3. Температура
Температура является мерой нагретости тела. В вентиляции темепературу воздуха обычно указывают по стоградусной шкале, называемую в разговорной речи шкалой Цельсия. Абсолютные температуры по шкале Кельвина не нашли применения в вентиляции. В стоградусной шкале за 0 принята
температура таяния льда. Температура кипения чистой воды при нормальном
атмосферном давлении соответствует 100 °С. В вентиляционной практике
приходится иметь дело как с положительными, так и отрицательными значениями температур.
2.1.4. Влагосодержание
Влагосодержанием ВВ называется количество водяных паров в граммах, приходящееся на каждый килограмм сухой части воздуха. Влагосодержание обозначается буквой d, а единица измерения г/кг.с.в.
Количество влаги, которое может максимально содержаться в воздухе
при атмосферном давлении, сильно зависит от его температуры, значительно
возрастая при ее повышении, как показано ниже в таблице.
Температура, °С
Макс. влагосодержание, г/кг.с.в.
-20
-10
0
10
20
30
40
50
60
0,77
1,79
3,8
7,63
14,7
27,3
48,9
86,3
152,0
2.1.5. Парциальное давление водяного пара
Количество водяных паров, находящееся в воздухе, однозначно определяет парциальное давление водяного пара рвп во влажном воздухе. Чем
больше влаги, тем больше рвп. Связь между количеством влаги и парциальным давление водяных паров выражается следующими зависимостями
d = 623 / (Рб – рвп),
рвп = Рб / (623 + d ),
где Рб – барометрическое (атмосферное) давление, Па.
Таким образом, при увеличении количества водяных паров в воздухе,
находящемся при некоторой температуре t, происходит рост парциального
давления водяных паров. При некотором предельном влагосодержании парциальное давление достигнет значения давления насыщающих водяных паров рнп, то есть давления над свободной поверхностью жидкости, находящейся при той же температуре t. Такое состояние ВВ является предельным и
называется насыщенным влажным воздухом. Увеличить влагосодержание
воздуха выше предельного невозможно, так как будет происходить конденсация влаги на центрах активации, и в воздухе появится туман. Состояние
тумана – это состояние избыточной влаги в воздухе, когда вся она не может
находиться в парообразном состоянии, и часть ее находится в мелкокапельном состоянии. Иными словам, туман – это двухфазная среда, в отличие от
ВВ, который является однофазной средой.
2.1.6. Относительная влажность
Относительной влажностью ВВ называется отношение парциального
давления паров в воздухе к давлению насыщающих водяных паров. Обычно
относительную влажность выражают в процентах. Тогда формула для расчета относительной влажности будет
φ = 100  рвп / рнп,
Для абсолютно сухого воздуха рвп = рнп, и φ = 100 %. При полном
насыщении воздуха водяными парами рвп = рнп, и φ = 100 %. Относительной
влажность, таким образом, является мерой степени насыщения воздуха водяными парами
2.1.8. Температура точки росы
Если ВВ, имеющий относительную влажность 0 < φ < 100 %, охлаждать, то при понижении температуры будет уменьшаться давление насыщенных водяных паров, которое зависит только от температуры. При этом
влагосодержание воздуха будет оставаться неизменным, а относительная
влажность будет увеличиваться. В некоторый момент при определенной температуре значение рнп достигнет значения рвп . В этот момент относительная
влажность достигнет значения 100% – ВВ приобретет состояние полного
насыщения. При дальнейшем охлаждении рнп станет меньше рвп , и часть влаги начнет конденсироваться на холодных поверхностях, контактирующих с
воздухом, или образуется туман. Таким образом, дальнейшее охлаждение
воздуха приводит к его перенасыщению влагой, что ведет к выпадению конденсата – росы. Поэтому та предельная температура, до которой можно
охлаждать воздух без выпадения конденсата, и начиная с которой процесс
дальнейшего охлаждения сопровождается выпадением конденсата, называется температурой точки росы. Температура точки росы при постоянном атмосферном давлении зависит только от начального влагосодержания воздуха.
2.1.7. Энтальпия (теплосодержание)
Энтальпией ВВ называется количество теплоты, которое требуется на
то, чтобы перевести 1 кг абсолютно сухой воздух (d = 0), находящийся при 0
°С, в некое другое состояние с температурой t и влагосодержанием d.
Из данного определения следует, что при t = 0 и d = 0 энтальпия
воздуха также равна 0.
Энтальпия воздуха измеряется в кДж/кг.с.в (килоджоули на килограмм сухого воздуха) и складывается из трех слагаемых, которые отражают
затраты теплоты на следующие цели:
 нагрев сухой части воздуха до температуры t;
 испарение влаги;
 нагрев водяных паров до температуры t.
I = cсв t + r d /1000 + cвп t d /1000
Вклад указанных трех составляющих неодинаков. Оценим его для
расчета энтальпии воздуха, имеющего 50% относительную влажность при 20
°С.
I = 1,005  20 + 2500  7 /1000 + 1,8  20  7 /1000 =
= 20,1 + 17,5 + 0,036 = 37,5 + 0,036
Из приведенных вычислений видно, что затраты теплоты на нагрев
сухой части воздуха и на испарение влаги соизмеримы и имеют один порядок, а затраты тепла на нагрев водяных паров составляют лишь около 0,1%
от суммы двух других составляющих. Таким образом, энтальпия воздуха в
основном складывается из первых двух слагаемых, а третьим слагаемым в
большинстве случаев можно пренебречь.
2.1.9. Температура по мокрому термометру
Рассмотрим ситуацию, когда мелкая капля воды витает в воздухе,
имеющем некоторую температуру и относительную влажность. Схема, поясняющая сущность происходящих при этом процессов, приведена на рисунке 2.1.
Для простоты рассуждений будем считать, что в начальный момент
времени капля воды имеет такую же температуру, как и окружающий ее воздух, то есть tw = tв . Парциальное давление водяных паров над поверхностью
капли равно давлению насыщенных паров, а давление водяных паров в
окружающем воздухе меньше, так как относительная влажность воздуха
меньше 100%. Под действием градиента давлений то начинается первый
процесс – процесс массопереноса (испарение) влаги с поверхности капли в
воздух. На испарение воды затрачивается некоторое количество теплоты, которое может быть взято только от самой капли, поэтому температура капли
начинает понижаться. Затраченное на испарение тепло передается воздуху
вместе с испарившейся влагой. Это тепло называется скрытым, так как оно
не изменяет температуры воздуха.
tв
Капля воды
tw
Отвод скрытого тепла Qскр
Подвод явного тепла Qя
Qя = α  Fw  (tв –tw)
mвп = β  Fw  (рнп –рвп)
Qскр = mвп  r
Qя = Qскр
Рисунок 3.1. – К пояснению понятия температуры мокрого термометра.
Как только температура капли станет меньше температуры окружающего воздуха, начнется второй процесс – теплоотдача явного тепла от воздуха к поверхности капли за счет градиента температур. При этом от воздуха
будет отбираться явное тепло. Чем больше разность температур воздуха и
капли, тем интенсивнее идет данный процесс.
По мере понижения температуры капли постепенно снижается и величина давления насыщенных паров над поверхностью капли, и интенсивность испарения уменьшается. Интенсивность же передачи явного тепла от
воздуха к капле, наоборот, растет по мере снижения температуры капли, так
как увеличивается действующая разность температур. В итоге при некоторой
температуре капли наступит равенство потоков явного и скрытого тепла. В
этот момент справедливо равенство
α  Fw  (tв –tw) = β  Fw  (рнп – рвп)  r
Так как подводимое к капле явное тепло равняется отводимому от нее
скрытому теплу, температура капли дальше изменяться не будет. Пока будет
продолжаться процесс испарения (до полного испарения капли), температура
капли будет оставаться постоянной. Эта температура называется температурой мокрого термометра. Энтальпия воздуха в этом процессе так же не меняется, хотя температура его понижается (явное тепло отбирается). Но раз
отбираемое явное тепло передаваемому ему скрытому теплу, суммарное теплосодержание воздуха не изменяется. Происходит просто преобразование
явного тепла в скрытое.
Температура мокрого термометра зависит от влажности воздуха. Чем
меньше относительная влажность, тем ниже давление паров в воздухе и тем
интенсивнее идет испарение, поэтому температура будет ниже.
Температура мокрого термометра названа так потому, что данный
процесс используется для измерения влажности воздуха психрометрическим
методом, при котором используются два термометра – "сухой" и "мокрый".
Сухой термометр показывает просто температуру воздуха. Шарик мокрого
термометра обернут тонкой тряпочкой, которую смачивают водой перед
началом измерения. Процессы, проходящие на шарике мокрого термометра,
аналогичны вышеописанным процессам, поэтому столбик мокрого термометра понижается и через некоторое время останавливается на некотором
значении – это и есть температура мокрого термометра. Зная показания двух
термометров, можно определить влажность воздуха. Более детально данный
метод измерения разбирается на лабораторных занятиях.
2.2. I-d диаграмма влажного воздуха
Учитывая, что влажный воздух является основным объектом вентиляционного процесса, в области вентиляции приходится часто определять те
или другие параметры воздуха. Чтобы избежать многочисленных вычислений, их определяют обычно по специальной диаграмме, которая носит название I-d диаграммы. Она позволяет быстро определить все параметры воздуха по двум известным. Использование диаграммы позволяет избежать вычислений по формулам и наглядно отобразить вентиляционный процесс.
Пример I-d диаграммы приведен на следующей странице. Аналогом I-d диаграммы на западе является диаграмма Молье или психрометрическая диаграмма.
Оформление диаграммы в принципе может быть несколько различным. Типовая общая схема I-d диаграммы показана ниже на рисунке 3.1.
Диаграмма представляет из себя рабочее поле в косоугольной системе координат I-d, на котором нанесено несколько координатных сеток и по периметру диаграммы – вспомогательные шкалы. Шкала влагосодержаний обычно
располагается по нижней кромке диаграммы, при этом линии постоянных
влагосодержаний представляют вертикальные прямые. Линии постоянных
энтальпий представляют параллельные прямые, обычно идущие под углом
135° к вертикальным линиям влагосодержаний (в принципе, углы между линиями энтальпии и влагосодержания может быть и другим). Косоугольная
система координат выбрана для того, чтобы увеличить рабочее поле диаграммы. В такой системе координат линии постоянных температур представляют из себя прямые линии, идущие под небольшим наклоном к горизонтали
и слегка расходящиеся веером.
Рабочее поле диаграммы ограничено кривыми линиями равных относительных влажностей 0% и 100%, между которыми нанесены линии других
значений равных относительных влажностей с шагом 10%.
Шкала температур обычно располагается по левой кромке рабочего
поля диаграммы. Значения энтальпий воздуха нанесены обычно под кривой φ
= 100. Значения парциальных давлений иногда наносят по верхней кромке
рабочего поля, иногда по нижней кромке под шкалой влагосодержаний, иногда по правой кромке. В последнем случае на диаграмме добавочно строят
вспомогательную кривую парциальных давлений.
2.3. Определение параметров влажного воздуха на I-d диаграмме.
Точка на диаграмме отражает некое состояние воздуха, а линия – процесс изменения состояния. Определение параметров воздуха, имеющего некое состояние, отображаемое точкой А, показано на рисунке 3.1.
φА
о
t С
Шкала
температур
φ = 100%
φ=const
t=const
А
tА
I=const
tм
IА, кДж/кг
рп, кПа
Вспомогательная
кривая
d=const
t=const
tр
рнп
Шкала
давлений
рп
d, г/кг
dА
Шкала влагосодержаний
Рисунок 2.2. Схема определения параметров влажного воздуха
на I-d диаграмме
3. ПРОЦЕССЫ ИЗМЕНЕНИЯ СОСТОЯНИЯ
ВЛАЖНОГО ВОЗДУХА
3.1. Понятие процесса изменения состояния влажного воздуха
Под воздействием различных факторов влажный воздух может изменять свои параметры. Если воздух, заключенный в некотором объеме, находится в контакте с горячими поверхностями, он нагревается, то есть повышается его температура. При этом нагреву подвергаются непосредственно те
слои, которые граничат с горячими поверхностями. Из-за нагрева изменяется
плотность воздуха, и это приводит к возникновению конвективных течений,
то есть происходит процесс турбулентного обмена. За счет наличия турбулентного перемешивания воспринятая пограничными слоями воздуха теплота в процессе вихреобразования постепенно передается более удаленным
слоям, в результате чего весь объем воздуха повышает свою температуру.
Из рассмотренного примера ясно, что слои, наиболее близкие к горячим поверхностям, будут иметь температуру более высокую, чем удаленные.
Иначе говоря, температура по объему не одинакова, и иногда различается
весьма значительно. Поэтому температура, как и любой другой параметр
воздуха, в каждой точке будет иметь свое индивидуальное, локальное значение. Однако характер распределения локальных температур по объему помещения предсказать крайне трудно, поэтому в большинстве ситуаций приходится говорить о неком среднем значении того или иного параметра воздуха. Среднее значение выводится из предположения, что воспринятое тепло
окажется равномерно распределено по объему воздуха, и тогда температура
воздуха в каждой точке пространства будет одинакова. При этом говорят, что
воздух, ранее имевший исходную температуру, нагрелся до некой более высокой температуры.
Очевидно, что нагрев воздуха до некой температуры происходит не
мгновенно: воздух постепенно изменяет свои параметры, переходя из существующего состояния в новое, бесконечно близкое к нему. В итоге он переходит из начального состояния в конечное. Этот переход называется процессом изменения состояния влажного воздуха (или, короче, просто процессом). Точный путь этого перехода почти никогда не известен: мы не можем
знать в деталях, через какие отдельные промежуточные состояния идет процесс. Из начального состояния в конечное можно прийти бесконечным количеством способов, и достоверно известны лишь сами начальное и конечное
состояния. Но в большинстве ситуаций промежуточные состояния не имеют
принципиального значения, так как энергетические затраты на осуществление процесса определяются только начальными и конечными значениями параметров воздуха. Лишь в отдельных случаях имеет смысл уточнять, как
именно (по какому пути) происходил процесс перехода.
Учитывая, что на I-d диаграмме состояние влажного воздуха отображается точкой, процесс изменения состояния отображается некой линией,
соединяющей точки начального и конечного состояний.
Пусть воздух имеет некое начальное состояние, отображаемое на I-d
диаграмме точкой А (рисунок 3.1). Конечное состояние некого процесса
пусть отображается точкой Б. Процесс А-Б, в котором происходит такое изменение состояния, изображен на рисунке жирной стрелкой. Такой процесс
может быть осуществлен в неком тепло- массообменном аппарате, в котором
воздух одновременно нагревается и увлажняется (например, в градирне при
орошении воздуха горячей водой, в рекуператоре с влагопроницаемыми пластинами, или в регенераторе с гигроскопичной насадкой).
t оС
tЕ
Е
С
Б
tС = tБ
φ = 100%
t
А
Д
IБ = IЕ
tД = tА
IС
IА
dА
dБ
d, г/кг
Рис. 3.1. Процесс изменения состояния влажного воздуха на I-d диаграмме
Обычно процесс изменения состояния изображают прямой линией,
соединяющей точки начального и конечного состояний. Именно так и изображен жирной стрелкой процесс А-Б. Однако, переход из точки А в точку Б
мог идти и по другому пути: по некоторому криволинейному пути. соединяющему точки А и Б. На рисунке изображено всего две таких линии, однако
их можно нарисовать бесчисленное множество.
Более того, мы условно можем считать, что процесс изменения состояния состоял из двух отдельных процессов: в одном воздух воспринимал
только явное тепло и нагревался без изменения влагосодержания до температуры точки С (процесс А-С), а во втором воспринимал только влагу и увлажнялся без изменения температуры (процесс С-Б, увлажнение воздуха паром).
Причем порядок осуществления процессов не имеет значения: можно вначале увлажнить воздух (процесс А-Д), а затем нагреть его (процесс Д-Б).
Есть и другой вариант осуществления процесса: вначале нагреть воздух без изменения влагосодержания до точки Е (процесс А-Е), а затем
увлажнить его с одновременным охлаждением (процесс Е-Б, изоэнтальпийное охлаждение в оросительной камере или другом массообменном аппарате).
Для всех четырех рассмотренных вариантов количество теплоты, которое надо сообщить воздуху, чтобы перевести его из состояния А в состояние Б, одинаково и определяется исключительно энтальпией воздуха в точках А и Б.
3.2. Угловой коэффициент луча процесса
В процессе изменения состояния воздух изменяет все или некоторые
свои параметры. Процесс изменения состояния на I-d диаграмме отображается прямой линией (лучем), выходящей из точки А, соответствующей начальному состоянию воздуха. Точка конечного состояния Б лежит на луче и
ограничивает отрезок с другой стороны. Для характеристики направления
изменения состояния используется понятие углового коэффициента луча
процесса ε, часто называемого для краткости просто угловым коэффициентом
ε = 1000 (IБ - IА ) / (dБ - dА) = 1000 ΔI /Δd.
В этом уравнений коэффициент 1000 (г/кг) служит лишь для перевода
единиц измерения: значение углового коэффициента выражено в кДж/кг, в
то время как влагосодержание принято выражать в г/кг. Особо отметим, что
размерность углового коэффициента внешне совпадает с размерностью энтальпии воздуха (кДж/кг), однако на самом деле это абсолютно разные величины: в знаменателе для энтальпии понимается килограмм сухого воздуха,
а для углового коэффициента – килограмм влаги.
Для любого процесса однозначно можно определить конкретное значение углового коэффициента. Значимость этого параметра состоит в том,
что он характеризует наклон лини луча процесса на I-d диаграмме. Существует несколько типовых процессов, для которых заранее известно значение
углового коэффициента.
Учитывая, что процесс на I-d диаграмме отображается прямой линией,
понятие углового коэффициента полностью соответствует принятому в математике понятию углового коэффициента наклона прямой линии в координатах Х-Y (рисунок 3.2).
I
Y
D
k=0
Е
ε=0
k=
ΔI
ΔY
k
ε=
F
C
Б
ε
А
α
ΔX
Х
0
Δd
k = tg(α) = ΔY / ΔХ
d
k = 1000 ΔI / Δd
Рис. 3.2. К понятию углового коэффициента
В уравнении прямой линии Y = k Х + b угловой коэффициент k равен тангенсу угла наклона линии по отношению к оси ОХ.
Отличие I-d диаграммы от привычной декартовой системы координат
состоит лишь в том, что она косоугольная: угол между осями энтальпий и
влагосодержаний обычно равен 135°. Во всем остальном имеется почти полная аналогия. Вертикальная линия и в той и в другой системе координат имеет угловой коэффициент, равный бесконечности, угловой коэффициент горизонтальной линии в обеих системах равен 0.
Особо подчеркнем, что угловой коэффициент и на I-d диаграмме не
может указывать направление луча процесса, а характеризует только его
наклон. Так, для процесса С-D угловой коэффициент равен бесконечности, и
для процесса D-C он будет таким же. Для процесса E-F угловой коэффициент равен нулю, и для процесса F-E он будет таким же. Совершенно неважно,
какая из двух точек является начальной, а какая конечной. При смене
направления луча на противоположное ΔI и Δd не изменяют своего абсолютного значения, а лишь меняют знак на противоположный, поэтому ни значение, ни знак углового коэффициента не меняется.
3.3. Процессы нагрева и охлаждения воздуха и их отображение на
I-d диаграмме
а) Чистый нагрев
Процесс нагрева воздуха от некоторых источников явного тепла
(например, нагретых поверхностей) идет без изменения влагосодержания по
линии d=const вверх. Это очень распространенный процесс, когда воздуху
передается только тепло без влаги: теплоотдача от нагревательных приборов
или оборудования, нагрев воздуха в теплообменниках (калориферах).
Теоретически, нагрев может идти неограниченно вверх, то есть конечное значение температуры может быть очень большим. В вентиляции чаще всего имеют дело с температурами до 70°, так как это предельное значение температуры воздуха, с которой его можно подавать в помещение.
Учитывая, что влага воздуху не передается, Δd = 0, и тогда
ε = 1000 ΔI / 0 = ±∞.
Отметим сразу же, что знак углового коэффициента в этом процессе
не определен, так как значение 0 не имеет знака, а является точкой смены его.
Лишь условно можно считать, что процесс чистого нагрева имеет ε = +∞.
Если Δd будет иметь бесконечно малое, но отрицательное значение, то знак
изменится на отрицательный. Фактически вертикальная линия является границей скачка знака: малейший наклон ее от вертикали влево приводит к отрицательному знаку, а малейший наклон вправо – к положительному. Точно
так же в декартовой системе координат тангенс угла 90° равен +∞, и функция
тангенса в этой точке имеет разрыв.
б) Чистое охлаждение (без конденсации водяных паров)
Процесс идет также без изменения влагосодержания по вертикальной
линии d=const вниз, теоретически до до кривой φ = 100%. Этот процесс возможен при контакте воздуха с холодными поверхностями наружных ограждений или оборудования. Угловой коэффициент для данного процесса тоже
равен бесконечности, условно считается, что знак отрицательный (ε = –∞).
в) Охлаждение с конденсацией водяных паров
Фактически это охлаждение воздуха ниже температуры точки росы.
Если температура воздуха выше точки росы, то процесс вначале идет
как чистое охлаждение, без изменения влагосодержания по линии d=const
вниз до кривой φ = 100%. В конце этого процесса воздух принимает насыщенное состояние (φ = 100%). Затем процесс идет вниз по линии φ = 100% до
конечной температуры. На второй стадии процесса некоторое количество
влаги ∆d выпадает в виде конденсата. Именно эту вторую стадию и следует
понимать как охлаждение с конденсацией водяных паров.
Этот процесс возможен при контакте воздуха с холодными поверхностями наружных ограждений, оборудования или холодной водой, имеющих
температуру ниже температуры точки росы. В кондиционировании этот процесс используется сознательно для осушения воздуха.
При контакте теплого влажного воздуха с холодным воздухом также
происходит охлаждение с конденсацией, но влага выпадает не на холодных
поверхностях, а непосредственно в объеме воздуха в виде тумана. Туман –
это мельчайшие капельки влаги, образовавшиеся при выпадении конденсата
на центрах активации (мельчайших пылинках).
Учитывая, что данном процессе ΔI < 0 и Δd < 0, тогда
ε = 1000 ΔI / Δd > 0.
За счет сильного охлаждения может воздух может быть очень сильно
осушен. Уже при температуре –20°С влагосодержание влажного воздуха
всего 0,8 г/кг, а при более низких температурах оно еще меньше. Поэтому
зимой наружный атмосферный воздух имеет осень маленькое влагосодержание даже при относительной влажности более 80%.
3.4. Процесс адиабатического охлаждения воздуха и его отображение на I-d диаграмме
Процесс адиабатического охлаждения воздуха при контакте с водой,
имеющей температуру мокрого термометра, идет за счет испарения влаги,
при котором явная теплота воздуха переходит в скрытую теплоту водяных
паров. Поэтому данный процесс называют также прямым испарительным
охлаждением. Учитывая, что явное тепло, затраченное на испарение влаги,
возвращается снова в воздух в виде скрытого тепла, энтальпия воздуха в этом
процессе измениться не может. На I-d диаграмме процесс идет по линии
I=const вниз до кривой φ = 100%. Поэтому данный процесс часто называют
изоэнтальпийным охлаждением воздуха. Учитывая, что теплота воздуху не
передается, ΔI = 0, и тогда
ε = 1000 0 / Δd = 0
Это распространенный процесс, осуществляемый в основном в форсуночных оросительных камерах кондиционеров путем распыления форсунками непрерывно циркулирующей воды в объеме камеры, через которую
проходит обрабатываемый воздух. Основное условие – достаточно большая
поверхность массообмена, что достигается за счет мелкого распыла воды. Реально достигается относительная влажность воздуха порядка 95%. Адиабатическое охлаждение может быть осуществлено и в аппаратах с пористой
насадкой (орошаемые слои), при орошении циркулирующей водой.
Кроме того, имеются устройства для испарительного охлаждения путем мелкого распыла воды непосредственно в воздух помещений. Они имеют, как правило, относительно небольшую производительность. Распыление
воды осуществляется или механическими устройствами (атомайзерами), в
которых вода дробится на зубчиках вращающегося диска, или форсунками
воздушного распыления.
3.5. Процесс увлажнения воздуха паром и его отображение на I-d
диаграмме
Увлажнение воздуха паром осуществляется при непосредственном
выпуске пара в помещение, а чаще в кондиционерах комфортного и технологического кондиционирования при увлажнении воздуха паровыми увлажнителями. Пар подается непосредственно в приточный воздуховод через перфорированную трубку, расположенную внутри него. Сам процесс испарения
воды, то есть приготовления пара, осуществляется в отдельном устройстве –
парогенераторе. Чаще всего для испарения используется электрический
нагрев. Конструкция парогенератора позволяет плавно регулировать количество образующегося пара или изменяя расход подаваемой в него воды, или
изменяя мощность нагревателя.
Учитывая, что испарение происходит при атмосферном давлении,
температура пара почти всегда около 100°С. При этом явное тепло, которое
несет пар, составляет лишь 6% от общей теплоты, а 94% приходится на скрытую теплоту парообразования. Поэтому можно считать, что в воздух вносится лишь скрытое тепло, и процесс идет практически по линии t=const ( на самом деле чуть выше), в пределе до кривой φ = 100%. Угловой коэффициент
луча процесса примерно соответствует скрытой теплоте парообразования (ε =
2500), на самом деле чуть больше.
При высокой относительной влажности воздуха пар начинает конденсироваться на холодных поверхностях, локально образовывая в объеме воздуха зоны тумана, то есть капельной влаги. При конденсации выделяется явное тепло, так как происходит процесс преобразования скрытого тепла в явное. При этом воздух и поверхности, на которых происходит конденсация,
повышают свою температуру. Точный расчет такого процесса затруднителен
из-за необходимости учета локальных температур воздуха и поверхностей.
3.6 Обработка воздуха сорбентами
Под термином "сорбенты" здесь понимаются любые пористые гигроскопичные вещества. способные поглощать влагу. одним из наиболее известных сорбентов с высоким поглощением влаги является силикагель. Он выпускается в виде небольших гранул и закладывается в небольших мешочках в
упаковки различных приборов и аппаратов для стабилизации влажностного
режима.
Не рассматривая здесь подробно физические основы процессов сорбции и десорбции, отметим лишь наиболее важную особенность твердых сорбентов: при изменении температуры сорбента равновесная относительная
влажность воздуха почти не изменяется (рисунок 3.2).
Предположим, что некоторый сорбент был выдержан при 50% относительной влажности воздуха и температуре 20°С, после чего был помещен в
закрытый контейнер с воздухом. Тогда в объеме контейнер примет относи-
тельную влажность тоже 50%. Если теперь поместить контейнер в среду с
другой температурой, например 40°С, то относительная влажность воздуха в
контейнере почти не изменится. Это происходит потому, что количество
влаги, сосредоточенной в воздухе, пренебрежимо мало по сравнению с количеством влаги, сосредоточенной в сорбенте. Часть влаги Δd из сорбента при
повышенной температуре перейдет в воздух, однако влагосодержание сорбента почти не изменится, поэтому и не изменится относительная влажность
окружающего его воздуха.
При достаточно большом количестве сорбента можно считать, что
воздух, находящийся с ним в контакте, принимает относительную влажность,
соответствующую равновесной влажности сорбента. Процессы нагрева и
охлаждения воздуха в замкнутом объеме при этом идут практически по линии φ=const (вверх при нагреве и вниз при охлаждении). Сорбент выполняет
роль стабилизатора влажности.
Данный процесс может использоваться в замкнутых помещениях с
радиоэлектронным оборудованием для стабилизации их влажностного режима. Использование сорбента позволяет сгладить скачки колебаний влажности, вызванные изменением температурного режима, связанные с резким изменением потребляемой электрической мощности.
t,°C
φ=50%
Б
40°
φ=100%
20°
А
Δd
d, г/кг
Рис. 3.2. Нагрев замкнутого объема воздуха с твердым сорбентом
Кроме твердых сорбентов для обработки воздуха могут применяться
жидкие сорбенты – растворы солей. Равновесная влажность воздуха над раствором соли зависит от концентрации раствора и температуры.
Более детально вопросы обработки воздуха сорбентами разбираются в
курсе "Кондиционирование воздуха". В вентиляции это метод не применяется из-за достаточной сложности и необходимости регенерации сорбентов.
3.7. Смешение двух количеств влажного воздуха.
Особым процессом является процесс смешивания двух количеств воздуха (или двух расходов), начальные состояние которых на I-d диаграмме
отображаются точками А и Б. В результате смешивания оба воздуха изменяют свое состояние и принимают конечное состояние смеси, отображаемое на
диаграмме точкой САБ , которая лежит на прямом отрезке, соединяющем точки начальных состояний А и Б (рисунок 3).
t оС
Б
tБ
САБ
φ = 100%
tС
Д
А
IБ
tА
IС
IА
CДЕ
C
IC = const
Е
dА
Δd
dС
dБ
d, г/кг
Рис. 3.3. Процессы смешивания воздуха на I-d диаграмме
Положение точки С на отрезке А-Б может быть определено по значению любого из трех параметров (температура, влагосодержание и энтальпия), которое определяется из уравнений сохранения:
GС
= GA
+ GБ
c GС tС = c GA tA + c GБ tБ
GС dС = GA dA + GБ dБ
GС IС = GA IA + GБ IБ
Как видно, принципиальный вид и смысл уравнений для любого параметра одинаков: количество вещества или теплоты в смеси равно сумме
вкладов двух составляющих.
Выбор, какой именно параметр использовать для определения положения точки смеси, основывается на принципе достижения максимальной
точности построения. если смешиваемые количества имеют примерно равные влагосодержания, то нет смысла определять параметр dС, так как это даст
большую погрешность, а следует определить параметр tС, при котором точность построения будет максимальна. Таким образом, следует соблюдать
простое правило:
а) для примерно вертикальных линий смешивания лучше определять
параметр IС;
б) для примерно горизонтальных линий смешивания лучше определять параметр dС;
в) для линий смешивания, наклоненных примерно под углом 45°,
лучше определять IС.
В некоторых учебных пособиях предлагается метод построения, основанный на измерении длины отрезка А-Б и делении его в отношении, пропорциональном расходам GA и GБ . При таком подходе длина отрезка А-Б
отражает общее количество смеси GС, длина отрезка А-С отражает количество воздуха GБ, а длина отрезка Б-С отражает количество воздуха GА . Особо подчеркнем, что отрезки, прилегающие к исходным точкам, отражают количества не того воздуха, к точке которого они прилегают, а другого, отображаемого второй точкой. В целом мы считаем, что такой метод не имеет каких-либо преимуществ, требует для выполнения большего количества операций измерения линейкой, и точность построения будет ниже. Поэтому в качестве основного рекомендуется метод расчета одного из параметров.
В некоторых случаях точка смеси при построении может попасть ниже кривой φ = 100%. такого состояния воздуха не может быть, поэтому при
смешивании часть влаги конденсируется в виде тумана. При этом из воздуха
с влагой уходит часть скрытого тепла, однако почти такое же количество
теплоты конденсации поступает в воздух в явном виде. Поэтому общее теплосодержание воздуха не меняется, и реальная точка смеси будет расположена на пересечении кривой φ = 100% и линии, проведенной по I = const из
предварительной точки смеси C. Пример такого построения показан на рисунке 3.3: исходные состояния воздуха отображаются точками Е и Д, а результат смешивания соответствует точке CДЕ. Количество влаги Δd выпадает в виде конденсата, то есть тумана.
4. РАСЧЕТНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ВОЗДУХА В
ВЕНТИЛЯЦИОННОМ ПРОЦЕССЕ
4.1. Понятие вентиляционного процесса
При осуществлении вентиляции помещений наружный воздух, подаваемый в помещения, последовательно изменяет свое состояние в процессе
обработки в приточной установки, транспортирования по воздуховодам, распределения его по помещениям и удаления из помещений. На каждом этапе
воздух изменяет свое состояние по некоторому элементарному процессу,
рассмотренному ранее. Вся совокупность элементарных процессов изменения состояния наружного воздуха от забора его из атмосферы до выброса обратно в атмосферу называется общим термином — вентиляционный процесс.
В реальных условиях параметры воздуха на отдельных стадиях вентиляционного процесса могут быть разными, учитывая непрерывно изменяющиеся условия наружного климата и изменяющееся количество вредностей,
поступающих в помещение. Просчет вентиляционного процесса на все возможные сочетания наружных и внутренних условий не имеет смысла, поэтому расчет ведется только на наиболее предельные, ответственные режимы,
когда нагрузка на вентиляционное оборудование становится максимальной.
Эти условия и режимы называются расчетными. Именно на расчетные условия проводятся все расчеты при проектировании вентиляции.
При этом на каждой стадии вентиляционного процесса воздух имеет
вполне конкретные значения параметров. Эти значения называются расчетными параметрами воздуха. С понятием расчетных параметров студенты
должны быть знакомы из курсов "Строительная теплофизика" и "Отопление".
Наиболее важными расчетными параметрами являются параметры наружного, внутреннего, приточного и удаляемого воздуха.
4.2. Расчетные параметры наружного воздуха
Параметры наружного воздуха, на которые выполняются все расчеты
при проектировании вентиляции, называются расчетными параметрами
наружного воздуха (РПНВ). РПНВ являются нормативными, так как их выбор оговорен в нормативных документах – соответствующих главах СНиП. В
основном для выбора РПНВ используется СНиП 2.04.05-91* "Отопление,
веннтиляция и кондиционирование воздуха" и СНиП 23-01-99 "Строительная
климатология". Напомним основные положения.
В вентиляции основными расчетными параметрами наружного воздуха, задаваемыми в СНиП, являются температура, энтальпия и скорость
наружного воздуха. Наружные параметры задаются для трех периодов: холодного (ХП), переходного (ПП) и теплого (ТП).
ПП является неким расчетным граничным состоянием воздуха между
ТП и ХП. За расчетные параметры ПП принимается температура 8 °С и эн-
тальпия 22,5 кДж/кг. Среднесуточная температура 8 °С выбрана в качестве
расчетной для ПП не случайно, она соответствует моменту отключения систем отопления общественных зданий (производственные здания часто отключаются и раньше с целью экономии тепловой энергии) и переводу систем
теплоснабжения на летний режим.
Параметры наружного воздуха непрерывно меняются и зависят от
района строительства и сезона года. Но все расчеты можно вести только с
использованием вполне определенных значений параметров воздуха. Поэтому возникает вопрос, а какие именно значения параметров следует принимать в качестве расчетных. Решение этого вопроса зависит в первую очередь
от уровня требований, предъявляемых ко всему зданию и к его системам
обеспечения микроклимата (СОМК).
Принципиальные подходы к назначению расчетных параметров рассмотрим на примере температуры.
Температура наружного воздуха изменяется непрерывно. Существуют
суточные колебания, месячное изменение и годовой цикл. Применительно к
наружному климату можно говорить только о некоторых усредненных его
показателях, так как даже в одной и той же местности климат одного года
может существенно отличаться от предыдущего. Недаром говорят, что в такой-то год зима или лето были холодными или, наоборот, теплыми.
В среднем можно считать, что в течение года температура изменяется
примерно по гармоническому закону, как показано на рисунке 2.3. Самым
холодным месяцем обычно является январь, а самым жарким – июль. В некоторый момент в январе, среднесуточная температура наружного воздуха достигает своего минимального значения за год, а в июле – максимального. Если принять за расчетную температуру для каждого из периодов именно эти
значения, то мощность оборудования СОМК выйдет наибольшей, то есть
максимальной. Очевидно, что система при этом окажется дороже. При этом
практически весь расчетный период СОМК будет работать в режиме пониженной мощности.
Если же взять для холодного периода более высокие значения температуры, а для теплого периода – более низкие, то некоторый промежуток
времени система не сможет обеспечивать расчетные параметры воздуха в
помещении. Степень обеспечения характеризуется коэффициентом обеспеченности. Значение Коб = 0,7 означает, что 70% продолжительности расчетного периода система сможет обеспечивать требуемый уровень параметров в
помещении, а 30% времени параметры будут не соответствовать заданным. В
эти 30 % времени мощности системы (холодильной в теплый период, нагревательной – в холодный) не хватит для поддержания заданного значения
внутренней температуры. Однако при этом затраты на систему окажутся существенно меньше.
При выборе расчетного коэффициента обеспеченности учитывают период года и уровень требований к зданию. Для некоторых производственных
зданий с системы следует проектировать на предельные параметры наружного климата (предприятия электроники, точной механики и оптики, фармацев-
тические предприятия и др.) Для большинства зданий обычного назначения
за расчетную температуру ХП принимают температуру холодной пятидневки
(параметры Б). Это примерно соответствует коэффициенту обеспеченности
98%, при этом продолжительность отклонения параметров от расчетных составит примерно 50 часов. Такой короткий срок объясняется тем, что при
продолжительном снижении температуры в помещениях резко увеличивается
количество простудных заболеваний.
tн, °С
а)
tмакс
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
месяцы
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
сутки
tмин
б)
tн, °С
tх5
tмин
N часов
5 суток
а) Годовой график изменения среднесуточной температуры
б) К понятию расчетной температуры холодного периода (холодной
пятидневки)
Рисунок 2.3 – К понятию расчетной температуры наружного воздуха
Для теплого периода года можно допустить значительно более длительный период отклонения параметров в помещении от расчетных, так как
это приведет к нарушению комфорта в помещении, но не к заболеваниям.
Для большинства зданий обычного назначения при проектировании вентиляции за расчетную температуру ТП принимают температуру по параметрам А.
Это примерно соответствует коэффициенту обеспеченности 70%, при этом
продолжительность отклонения параметров от расчетных составит примерно
400 часов. Температура по параметрам А для теплого периода примерно соответствует средней температуре самого жаркого месяца.
Следует отметить, что вентиляция часто не имеет средств для обеспечения комфортных условий в помещении при повышенных температурах и
влажностях воздуха, так как в СВЕ обычно отсутствуют устройства для
охлаждения воздуха. Поэтому даже если принять в расчете высокие значения
коэффициента обеспеченности, достигнуть реально его не удастся. Лишь в
сухом и жарком климате (районы Средней Азии, Поволжъе и др.) возможно
использование испарительного охлаждения для снижения температуры воздуха. Для более ответственных помещений, к которым предъявляются более
высокие требования, следует проектировать СКВ, которые рассчитываются
по параметрам Б и для теплого периода.
Расчетные параметры наружного воздуха для некоторых городов приведены в таблице 1.
Значение географической широты местности является важным при
расчете теплопоступлений от солнечной радиации, так как на разных широтах интенсивность и продолжительность солнечной инсоляции различна.
Кроме того, очевидно, чем больше значение широты, тем более холодным
является климат данной местности.
Барометрическое давление указывается для того, чтобы можно было
использовать соответствующую I-d диаграмму (они выпускаются на различное атмосферное давление), что позволяет несколько повысить точность
определения параметров воздуха на различных стадиях вентиляционного
процесса. Использование более точной диаграммы целесообразно при проектировании кондиционирования воздуха, где производится влажностная обработка воздуха.
Значение расчетной скорости наружного воздуха важно при проектировании аэрации зданий, естественной вытяжной вентиляции и неорганизованного воздухообмена под действием ветра в совокупности с гравитационным давлением.
Таблица 1. Расчетные параметры наружного воздуха
Наименование Геопункта
графическая
широта,
с.ш.
1. Абакан
52
Барометрическое
давление
ГПа
900
Период года,
группа
параметров
Теплый (А)
Холодный (Б)
Теплый (А)
Холодный (Б)
Теплый (А)
Холодный (Б)
Теплый (А)
Холодный (Б)
990
Теплый (А)
Холодный (Б)
1010 Теплый (А)
Холодный (Б)
1010 Теплый (А)
Холодный (Б)
990
Теплый (А)
Холодный (Б)
970
Теплый (А)
Холодный (Б)
990
Теплый (А)
Холодный (Б)
990
Теплый (А)
Холодный (Б)
970
Теплый (А)
Холодный (Б)
990
Теплый (А)
Холодный (Б)
950
Теплый (А)
Холодный (Б)
990
Теплый (А)
Холодный (Б)
950
Теплый (А)
Холодный (Б)
990
Теплый (А)
Холодный (Б)
2. Актюбинск
52
3. Астрахань
48
4. Бикин
48
5. Благовещенск
52
6. Братск
56
7. Владивосток
44
8. Вологда
60
9.Екатеринбург
56
10. Иваново
56
11. Иркутск
52
12. Москва
56
13. Наманган
40
14. Орел
52
15. Ростов-наДону
16. Рязань
48
990
56
990
17. Самарканд
40
910
Расчетные параметры
наружного воздуха
темпеэнскоратура, таль- рость
пия I, ветра,
С
кДж/кг v, м/с
23,8
51,1
1
-40
-42,3
1
27,1
51,1
1
-31
-30,6
5
29,5
61,1
3,6
- 23
- 21,9
8
24,9
60,7
1
-32
-31,8
1
25,1
57,8
1
-34
-33,9
1
22,5
49
1
-43
-43,1
2
23,6
57,8
4,7
-24
-25,3
13,5
21,1
50,2
1
-31
-30,6
5,2
20,7
48,1
4
-35
-34,6
5,2
22,2
49,8
2,8
- 29
-28,6
3,6
22,7
50,2
2,2
-37
-37,1
2,8
22,3
49,4
1
-26
-25,3
4
34,2
62,4
1
- 14
- 12
1
23,1
49,8
3,9
- 26
-25,3
5
27,3
- 22
22,8
-27
32,3
- 13
57,4
- 20,9
49,8
-26,8
59,5
10,9
3,6
8
4,1
3
1
1
Продолжение таблицы 1
Наименование Геопункта
графическая
широта,
с.ш.
18. Санкт60
Петербург
19. Саратов
52
20. Сочи
44
21.Симферополь
22. Ташкент
44
23. Томск
56
24. Улан-Удэ
52
25. Хабаровск
48
26. Харьков
52
27. Челябинск
56
28. Якутск
62
29. Ярославль
56
40
Барометрическое
давление
ГПа
1010
Период года,
параметры
Теплый (А)
Холодный (Б)
990
Теплый (А)
Холодный (Б)
1010 Теплый (А)
Холодный (Б)
970
Теплый (А)
Холодный (Б)
930
Теплый (А)
Холодный (Б)
990
Теплый (А)
Холодный (Б)
930
Теплый (А)
Холодный (Б)
990
Теплый (А)
Холодный (Б)
990
Теплый (А)
Холодный (Б)
990
Теплый (А)
Холодный (Б)
990
Теплый (А)
Холодный (Б)
990
Теплый (А)
Холодный (Б)
Расчетные параметры
наружного воздуха
темпеэнскоратура, таль- рость
пия I, ветра,
С
кДж/кг v, м/с
20,6
48,1
1
-26
- 25,3
3
25,4
53,6
4,3
-27
-26,3
5
25,9
66,2
1
-3
2,1
4
26,1
59,5
1
- 16
14,2
8
33,2
58,2
1,4
- 15
- 13,4 1,4
21,7
49
1
-40
-40,2
3
23,7
49,8
1
-37
- 37,1
3
24,1
60,7
4,6
-31
- 30,8 6,8
25,1
52,8
1
- 23
- 22,2 6,1
22,8
48,1
3,2
-34
-33,5
4,8
23
48,1
1
-55
-55,3
1
21,6
49,8
3,9
-31
-30,6
4
Концентрации углекислого газа в наружном воздухе зависит оттого, в
сельской местности или в крупном промышленном городе расположен проектируемый объект, так как в воздух городов углекислый газ поступает от
автомобильного транспорта, труб котельных и ТЭЦ, производственного оборудования, в котором осуществляется процесс сжигания топлива. Значения
концентраций СО2 приведены в таблице 2.
Таблица 2. Концентрации углекислого газа в наружном воздухе
Место
Сельская местность
Малые города
Большие промышленные города
Концентрация
С, л/м3
0,33
0,4
0,5
4.3. Расчетные параметры внутреннего воздуха
Под параметрами внутреннего воздуха понимают параметры воздуха
в обслуживаемой или рабочей зоне помещения. В верхней зоне помещения,
где обычно нет людей, параметры не нормируются. О параметрах воздуха в
верхней зоне будет сказано в разделе 2.4.
Параметры внутреннего воздуха назначаются раздельно для теплого и
холодного периодов года. Для переходного периода принимаются такие же
параметры, как и для холодного.
Для помещений общественных зданий при расчетах вентиляции ориентируются на допускаемый диапазон параметров (таблица 3), так как вентиляция не предназначена для поддержания оптимальных параметров. Обычно
при наличии избытков тепла в помещении назначают температуру, соответствующую верхней границе допускаемого диапазона, а при наличии недостатков тепла в помещении — нижней границе.
В общественных зданиях, как правило, проектируется система водяного отопления, которая работает непрерывно, без отключения в рабочее
время. Учитывая, что она почти полностью компенсирует тепловые потери
помещений через наружные ограждения, в помещениях общественных зданий с большим количеством людей почти всегда наблюдаются избытки теплоты. Однако, наиболее часто производительность систем вентиляции принимается постоянной и определяется расчетом по теплому периоду, как самому невыгодному. В этих условиях с точки зрения экономии теплоты выгоднее принять за расчетное значение внутренней температуры нижнюю границу допускаемого диапазона, то есть 18 С. Это позволит уменьшить затраты теплоты на нагрев приточного воздуха.
Следует отметить, что температура 18 С действительно является
нижним допустимым значением при условии, что люди находятся без верхней (уличной) одежды в спокойном состоянии. Такая температура не является оптимальной, и большинство людей при ней ощущают некоторую прохладу. Оптимальным значением является диапазон 20-22 °С. Если заказчик требует выполнить расчет СОМК для холодного периода на оптимальные значения внутренней температуры, и при этом согласен нести некоторые дополни-
тельные затраты из-за увеличения мощности оборудования системы, то нет
причин для отказа.
При наличии двух систем обеспечения микроклимата (система отопления и система вентиляции) следует правильно организовать управление работой систем автоматического регулирования тепловой мощности каждой
системы. В противном случае может получиться так, что система отопления
снижает свою теплоотдачу, стремясь понизить температуру в помещениях, а
система вентиляции увеличивает подогрев приточного воздуха, стремясь
поддержать внутреннюю температуру на заданном уровне. Лучше всего, чтобы одна из систем работала с постоянной теплоотдачей, а регулирование
температуры в помещениях осуществляла другая система.
Кроме того, следует предусмотреть работу системы в нештатных ситуациях. Например, в холодный период кто-то оставил открытой форточку в
помещении, и температура воздуха в нем начинает понижаться. Тогда система автоматика системы отопления, открывая регулирующий клапан, увеличивает расход теплоносителя через отопительный прибор, что повышает его
теплоотдачу. Следствием такой работы автоматики является перерасход тепловой энергии.
Таблица 3. Допустимые нормы параметров внутреннего воздуха
в обслуживаемой зоне жилых и общественных зданий
(для людей, находящихся в помещении более 2 ч непрерывно)
Период
года
Температура, С
Теплый
Не более чем на 3 выше расчетной температуры наружного воздуха (параметры А)
Не выше 28 С * для общественных и административно-бытовых помещений с постоянным пребыванием людей
Холодный
и переходный
18** – 22
Относительная
влажность,
%, не более
Скорость
воздуха,
м/с, не
более
65***
0,5
65
0,2
Примечания:
* Для районов с tн = 25 С и выше следует принимать температуру не выше 33 С.
** Для общественных зданий с пребыванием людей в уличной одежде следует
принимать температуру 14 С.
*** В районах с расчетной относительной влажностью наружного воздуха более
75% допускается принимать влажность внутреннего воздуха 75%.
Для теплого периода практически всегда в помещении присутствуют
тепловые избытки (технологических процессов с поглощением тепла практически не существует), поэтому температура внутреннего воздуха всегда будет выше наружной температуры. Наружный воздух подается в помещение,
нагревается в нем до внутренней температуры, и затем удаляется из помещения, унося избыточное тепло. Чем больше разница температур внутри помещения и снаружи, тем меньше воздуха требуется подать в помещение, чтобы
удалить тепловые избытки, и, следовательно, меньше затраты на систему.
G = Qизб / [с (tв- tн)]
Однако температура внутри помещения не должна быть слишком высокой, так как это нарушает тепловой комфорт людей. В качестве приемлемого компромисса между стоимостью системы и комфортом людей принято
следующее базовое положение по отношению к расчетной температуре внутреннего воздуха в теплый период: внутренняя температура должна быть не
более чем на 3° выше наружной (tв= tн + 3°).
Учитывая, то при температуре 28 °С большинство людей ощущает
тепловой дискомфорт, и резко падают их внимание и работоспособность, при
умеренном климате (tн <25°) за верхнюю разумную границу внутренней температуры принимают именно это значение 28°, так как это позволяет получить более-менее приемлемые затраты на СВЕ и обеспечить более-менее
приемлемые условия для людей.
В жарком климате (tн <25°) допускаемое значение увеличивают до
33°. Это вынужденная мера, так как при наличии тепловых избытков внутренний воздух все равно будет перегреваться. Наиболее неблагоприятные
условия будут при высокой температуре наружного воздуха и высокой относительной влажности (приморские южные районы), так как при высокой
влажности воздуха ухудшается испарение влаги с поверхности кожи, и тем
самым ухудшается охлаждение организма за счет уменьшения отвода скрытого тепла испарения.
Особым случаем является сухой и жаркий климат. Во-первых, при
низкой относительной влажности происходит интенсивное испарение влаги с
поверхности кожи, что сам по себе улучшает охлаждение организма. Поэтому в таком климате даже при высокой температуре человек чувствует себя
лучше, чем во влажном приморском климате. Во-вторых, здесь есть достаточно простое средство для снижения температуры наружного воздуха перед
подачей его в помещение – испарительное (адиабатическое) охлаждение.
Охлаждение производится без использования холодильной машины, но в сухом жарком климате позволяет существенно снизить температуру воздуха и
обеспечить в помещении температуру до 28 °С при приемлемых расходах
воздуха. Если принять расчетную внутреннюю температуру выше, то расход
воздуха еще существенно уменьшится.
Особым случаем является и холодный климат северных районов. В
этом случае при низкой температуре наружного воздуха, например 15°, нет
смысла ориентироваться на допустимое значение tв= 15 + 3° = 18°, так как
оно не соответствует оптимальным параметрам даже для холодного периода.
В этой ситуации целесообразно поднять внутреннюю температуру до 22°, так
как она более благоприятна для человека. Кроме того, такое решение позволяет увеличить рабочий перепад температур и тем самым существенно
уменьшить требуемый расход воздуха в теплый период.
Расчетную концентрации углекислого газа (диоксид углерода, двуокись углерода, СО2) во внутреннем воздухе принимают равной предельно
допустимой концентрации (ПДК) в помещении. Значения ПДК для СО2 приведены в таблице 4.
Таблица 4. Концентрации углекислого газа во внутреннем воздухе помещений
Место
Детские комнаты и больницы
Места постоянного пребывания людей (жилые комнаты)
Местах периодического пребывания людей,
более 2 ч непрерывно (учреждения, зрительные залы)
Местах кратковременного пребывания людей,
менее 2 ч непрерывно (учреждения, магазины, столовые)
Концентрация
С, л/м3
0,7
1,0
1,25
2,0
4.4. Расчетные параметры приточного воздуха
В общественных зданиях в теплый период года практически всегда
имеются тепловые избытки. Поэтому температуру приточного воздуха принимают минимально возможной:
а) для систем с естественным побуждением – равной температуре
наружного воздуха (tпр = tн );
б) для систем с механическим побуждением – на 0,5 – 1° выше температуры наружного воздуха, учитывая предполагаемый подогрев воздуха в
вентиляторе и воздуховодах (tпр = tв + Δtнагр).
Подогрев воздуха в вентиляторе зависит от развиваемого им давления
и коэффициента полезного действия. Давление больших вентиляторов, как
правило, больше, поэтому подогрев в них будет выше.
Δtвент = Р (1- η) / (η ρ с).
При среднем давлении вентилятора 1000 Па, величина нагрева воздуха составит 0,25°.
Подогрев воздуха в воздуховодах происходит особенно интенсивно,
если воздуховоды проложены в невентилируемом пространстве за подшив-
ным потолком, в котором воздух интенсивно нагревается за счет тепла, поступающего через покрытие, нагреваемое солнечными лучами. Поэтому рекомендуется хотя бы часть воздуха из зрительных залов удалять именно из
подшивного пространства, чтобы уменьшить температуру в нем. В коридорах верхних этажей с подшивными потолками также рекомендуется осуществлять вытяжку из подшивного пространства. С учетом нагрева в воздуховодах минимальное значение нагрева воздуха рекомендуется принимать
равным 0,5°.
Для сухого и жаркого климата для теплого периода можно и рекомендуется использовать адиабатическое охлаждение наружного воздуха и принимать температуру притока на 0,5 оС выше температуры, соответствующей
окончанию процесса адиабатического охлаждения в оросительной камере.
Точка, соответствующая состоянию наружного воздуха после адиабатического охлаждения, определяется пересечением линии постоянной энтальпии
воздуха Iн = соnst и линии относительной влажности φ = 95%.
В холодный период года при наличии тепловых избытков, что бывает
наиболее часто, в помещение подается воздух, имеющий температуру ниже
температуры внутреннего воздуха. Чтобы люди, находящиеся в помещении,
не ощущали холодного дутья, температура воздуха в приточной струе должна быть не более чем на 1,5° ниже температуры внутреннего воздуха. Поэтому температуру приточного воздуха принимают всего на несколько градусов
ниже расчетной температуры внутреннего воздуха в соответствии с рекомендациями таблицы 6.
tпр = tв - Δtпр.
Таблица 6. Рекомендуемый перепад температур на притоке
Период года
и подача воздуха в помещение
Теплый период
Холодный и переходный периоды при подаче
воздуха
а) непосредственно в рабочую зону
б) на высоте от 2,5 м до 4 м от уровня пола
в) на высоте более 4 м от уровня пола
г) через потолочные плафоны эжекционного типа
Перепад температур на
притоке
Δtпр ,С
на 0,5 выше расчетной
температуры наружного
воздуха (подогрев в вентиляторе и воздуховодах)
2о
4 — 6о
6 — 8о
8 — 15 о
При наличии недостатков теплоты в холодный период года в помещение будет подаваться перегретый воздух, имеющий температуру выше тем-
пературы внутреннего воздуха. При этом допускаются примерно в два раза
большие перепады температур между температурой в приточной струе и
температурой внутреннего воздуха. Поэтому можно допустить примерно в
два раза большие перепады температур и на притоке, по сравнению со значениями, указанными в таблице 6.
tпр = tв + 2 Δtпр.
Согласно санитарным нормам, максимальное значение температуры приточного воздуха для помещений, в которых находятся люди,
составляет 45°С.
Концентрации углекислого газа в приточном принимают равной концентрации в наружном воздухе с учетом пересчета по плотностям (смотри
таблицу 2).
4.5. Расчетные параметры удаляемого воздуха
Если воздух удаляется из помещения непосредственно из рабочей или
обслуживаемой зоны (РЗ), то параметры его соответствуют параметрам в РЗ.
Однако чаще всего воздух удаляется из верхней зоны помещения, где параметры воздуха могут отличаться от параметров в РЗ.
Условно считается, что помещение разделено на две зоны: рабочую
зону (РЗ) и верхнюю зону. Приточный воздух, вбирая вначале тепло и влагу из РЗ, принимает параметры, соответствующие расчетным параметрам РЗ.
Затем, условно поднимаясь из РЗ в верхнюю зону, он вбирает тепло и влагу
из нее, принимает параметры, соответствующие расчетным параметрам воздуха в верхней зоне.
Подчеркнем, что деление помещения на РЗ и верхнюю зону достаточно условно, так как часто очень трудно выделить из общего количества теплопоступления и вредности, поступающие именно в РЗ. Кроме того, воздух
редко подается именно в РЗ, так как это конструктивно достаточно сложно,
нарушает интерьер, требует раздачи воздуха с малыми скоростями и, как
следствия, большой площади воздухораспределительных устройств. Чаще
воздух подается в верхнюю зону струями из решеток или потолочных плафонов, при этом он вначале воспринимает тепло, влагу и другие вредности
именно из верхней зоны, а не из РЗ. В принципе, деление помещения на две
зоны придумано для того, чтобы отразить тот факт, что главной заботой вентиляции и обслуживаемой ею зоной является именно РЗ, а также учесть подтвержденный на практике факт существования разности температур в РЗ и в
верхней зоне помещения. Если считать помещение одним большим общим
объемом, то пришлось бы принимать в расчетах одну среднюю температуру
по всему объему помещения. Однако, теплый воздух всегда стремится вверх,
и в верхней зоне, как правило, температура воздуха выше, чем в РЗ. Это расслоение воздуха наблюдается в любом помещении, в котором имеются конвективные источники теплоты, причем даже при общих недостатках теплоты.
Расслоение воздуха зависит именно от наличия конвективных струй в поме-
щении, а не от средней температуры воздуха. Воздух из помещений удаляется чаще всего именно из верхней зоны, поэтому в расчеты желательно вводить более точное значение температуры воздуха в ней, определенное с учетом предполагаемого расслоения воздуха по высоте помещения. Таким образом, при делении объема помещения на две зоны расчетная модель помещения становится более корректной и больше соответствует реальным условиям.
Температура удаляемого воздуха (верхней зоны) в общественных
зданиях чаще всего определяется с использованием понятия градиента температуры в помещении. Предполагается, что в пределах высоты РЗ (2 метра
от пола или 1,5 метра от пола, если люди находятся в сидячем положении)
температура внутреннего воздуха остается постоянной, а выше рабочей зоны
она линейно возрастает по высоте.
Градиентом температуры – изменение температуры на 1 метр высоты помещения выше рабочей зоны.
Фактически понятие градиента температуры предполагает равномерное расслоение внутреннего воздуха по высоте, связанное с нагревом воздуха
от источников теплоты в помещении – более нагретый воздух, как более легкий, поднимается к потолку помещения, поэтому температура в верхней зоне
всегда будет выше, чем внизу, в рабочей зоне.
Тогда температура воздуха под потолком помещения, откуда чаще
всего воздух и удаляется, определится по формуле
tу = tрз + grad t (Нпом – 2),
где Нпом – высота помещения, м.
Величина градиента температуры зависит от избытков теплоты в помещении и интенсивности циркуляции воздуха в помещении. Если приточный воздух подается в помещение рассредоточено с малыми скоростями, то
такая схема не нарушает естественного движения конвективных потоков
около нагретых объектов в помещении. При этом нагретый воздух, поднявшийся вверх, так и остается там, так как отсутствуют силы стремящиеся вернуть его обратно в нижнюю зону. Из верхней зоны он постепенно удаляется
через воздухоприемные отверстия или решетки вытяжных систем. Величина
градиента температуры при такой схеме максимальна и зависит в основном
от температуры источников и количества теплоты, поступающей от них.
Если приточный воздух подается в помещение мощными сосредоточенными струями с высокими скоростями (как правило, в верхнюю зону), то
такая схема явно нарушает естественного движения конвективных потоков
около нагретых объектов в помещении. При этом нагретый воздух, поднявшийся вверх, вовлекается приточными струями в общую циркуляцию воздуха в помещении, и поступает обратно в нижнюю зону. Иными словами, приточные струи непрерывно размывают образующуюся вверху теплую подушку и способствуют выравниванию температуры по высоте помещения. Величина градиента температуры при такой схеме не может быть высокой, хотя
тоже зависит от температуры источников и количества теплоты, поступающей от них. Следует помнить, что подача воздуха в помещение мощными
струями всегда создает повышенную циркуляцию воздуха в нем, что усиливает турбулентный обмен и способствует выравниванию температуры во
всем помещении.
Сказанное выше иллюстрируется рисунком 2.1
tу
а)
Gу
б)
tу
Gу
tрз
tрз
тепловой источник
воздухораспределитель
тепловой источник
воздухораспределитель
а) при рассредоточенной подаче воздуха в рабочую зону
с малыми скоростями;
б) при сосредоточенной подаче воздуха в верхнюю зону
мощными приточными струями;
Рис 2.1. Схемы циркуляции воздуха в помещении
(к понятию градиента температуры в помещении)
Наибольшие значения градиента наблюдаются при рассредоточенной
подаче в нижнюю зону и наличии в помещении мощных локальных (отдельно стоящих) источников теплоты с высокой температурой, от которых создается мощная конвективная струя с высокой начальной температурой. Такая
ситуация наиболее характерна для промышленных помещений – термических, кузнечных, плавильных и других цехов, называемых общим термином
"горячие цеха".
Что касается общественных зданий, то в них нет мощных локальных
высокотемпературных источников, кроме осветительной аппаратуры сцены в
зрелищных предприятиях. Основной источник теплоты – находящиеся в помещениях люди. Они размещены рассредоточено по помещению и имеют
низкую температуру (36,6°), поэтому такой характер и расположение источников не может способствовать созданию мощных конвективных струй.
Кроме того, подача воздуха чаще всего осуществляется струями в верхнюю
зону, что еще больше способствует снижению градиента. В общественных
зданиях градиент температуры редко имеет большое значение, и температура
воздуха в верхней зоне даже при значительной высоте помещения не может
быть высокой, поэтому при проектировании вентиляции не следует задаваться большими значениями градиента.
Обычно величину градиента температуры рекомендуется определять,
исходя из теплонапряженности помещения q, Вт/м3
q = Qизб.я. / Vпом.
где Qизб.я – расчетные избытки явного тепла в помещении, Вт;
Vпом – объем помещения, м3.
Рекомендуемые значения градиентов температуры приведены в таблице 7.
Таблица 7. Рекомендуемые значения градиента температуры
в помещениях общественных зданий
Теплонапряженность помещения
(удельные избытки явного тепла)
q, Вт/м3
Более 23
11,6 - 23
Менее 11,6
Градиент температуры
grad t, С/м
0,8 — 1,5
0,3 — 1,2
0 — 0,5
Примечание:
Меньшие значения градиента следует принимать при подаче воздуха в верхнюю
зону помещения, а большие — при подаче в рабочую или обслуживаемую зону.
Концентрация углекислого газа считается постоянной по всему помещению, поэтому концентрация углекислого газа в удаляемом воздухе принимается равной концентрации в рабочей зоне, то есть предельно допустимой
концентрации в помещении. Значения ПДК приведены выше в таблице 4.
5. ПОСТУПЛЕНИЕ ВРЕДНОСТЕЙ В ПОМЕЩЕНИЕ
5.1. Понятие вредности
Под термином "вредности" в вентиляции понимаются вредные вещества и теплота, поступающие в воздух помещений и негативно влияющие на
самочувствие человека.
Целью вентиляции является создание комфортных условий для пребывания людей в помещениях. На тепловой комфорт человека влияют температурно-влажностные условия в помещении и подвижность воздуха, а на
процессы дыхания, обмена веществ и другие функции организма – газовый
состав воздуха, то есть наличие в воздухе вредных веществ, изменяющих
нормальное функционирование различных подсистем организма.
5.2. Предельно-допустимые концентрации вредных веществ в рабочей зоне
При наличии в воздухе некоторого количества вредных веществ они
оказывают на организм некоторое негативное воздействие. Результат этого
воздействия по отношению к некоторому среднему человеку в целом зависит
от трех факторов:
а) тип вредного вещества;
б) концентрации его в воздухе, мг/м3;
в) продолжительности воздействия.
При одинаковой концентрации в воздухе воздействие различных веществ может быть крайне разным. Одни вещества могут вызывать очень
быстрое ухудшение самочувствия человека, а действие других может проявиться спустя значительное время. Путем специальных исследований медиками-гигиенистами установлены максимальные значения концентраций различных веществ, которые можно допустить в рабочей зоне помещений без
ущерба для здоровья человека. Эти концентрации вредных веществ называются предельно-допустимыми концентрациями в рабочей зоне (ПДКрз).
Предельно-допустимая концентрация вредного вещества в рабочей зоне – это такая концентрация, которая при ежедневной (кроме выходных дней) работе в течение 8 ч или при другой продолжительности,
но не более 41 ч в неделю, в течение всего рабочего стажа не могут вызвать заболеваний или отклонений в состоянии здоровья, обнаруживаемых современными методами исследований в процессе работы или в отдаленные сроки жизни настоящего и последующего поколений.
Кроме ПДК рабочей зоны гигиенистами установлены также предельно допустимые концентрации вредных веществ в воздухе населенных мест:
максимально-разовые (ПДКмр), отнесенные к периоду воздействия 20-30 минут, и среднесуточные, отнесенные к периоду воздействия в течение всего
жизненного цикла человека (70 лет). Эти концентрации используются при
решении вопросов охраны воздушного бассейна.
Значения ПДКрз для большого количества вредных веществ приведены в ГОСТ 12.1.005-88 "Общие санитарно-гигиенические требования к
воздуху рабочей зоны".
Таким образом, ПДКрз это максимальное значение концентрации
вредного вещества, которое можно допустить в помещении. При этом должно соблюдаться соотношение Св < ПДКрз , или Св / ПДКрз < 1
Вредные вещества по-разному воздействуют на организм человека:
одни являются кровяными ядами (угарный газ), другие обладают раздражающим действием (кислота), третьи воздействуют на сосудисто-нервную систему (углеводороды), четвертые (вещества фиброгенного действия) воздействуют на легкие (окись кремния, цемент, другие неорганические пыли), пятые вызывают онкологические заболевания (асбест, бензол, бенз(а)пирен,
мышьяк, никель, хроматы и бихроматы). При одновременном содержании в
воздухе рабочей зоны нескольких вредных веществ они могут обладать однонаправленным действием. Список групп веществ, обладающих однонаправленным действием, составляется органам государственного санитарного
надзора.
При одновременном содержании в воздухе рабочей зоны нескольких
вредных веществ однонаправленного действия сумма отношений фактических концентраций каждого из них (С1, С2 ... Сn) в воздухе к их ПДК (ПДК1,
ПДК2 ... ПДКn) не должна превышать единицы
С1
С2
Сn

 ...
 1.
ПДК1 ПДК 2
ПДК n
5.3. Классы опасности вредных веществ
Вредные вещества по опасности воздействия на организм человека
подразделяются на четыре класса: I, II, III, IV. Класс I – это самые опасные
вещества, а класс IV – наименее опасные. Вещества, отнесенные к каждому
классу, имеют ПДКрз в следующих диапазонах:
класс I — менее 0,1 мг/м3;
класс II — от 0,1 до 1 мг/м3;
класс III — от 1 до 10 мг/м3;
класс IV — более 10 мг/м3.
Кроме собственно значения ПДКрз при отнесении вещества к тому
или иному классу опасности учитываются и дополнительные особенности
воздействия его на человека (например, возможность накопления его в организме, что характерно для тяжелых металлов).
5.4. Основные виды вредностей и их влияние на самочувствие человека
В помещения общественных зданий поступают следующие вредности:
а) углекислый газ; б) явное тепло; в) влага (и связанное с ней скрытое тепло). Поступление других вредностей маловероятно, так как связано с протеканием какого-либо технологического процесса.
Углекислый газ выделяется в воздух помещений при дыханнии людей. Молекулярная масса СО2 равна 46, то есть этот газ существенно тяжелее
воздуха, для которого М=29. Соответственно, плотность СО2 при 20°С равна
1,9 кг/м3 против 1,2 кг/м3 для воздуха.
Следует отметить, что углекислый газ в небольших концентрациях не
является ядовитым и вредным для человека, поэтому мы спокойно пьем газированную воду. Только при высоких концентрациях СО2 наблюдается его
негативное воздействие на организм человека. Однако причиной его образования в общественных зданиях является дыхание людей, при котором из воздуха помещения потребляется кислород. Поэтому наличие углекислого газа
является свидетельством понижения концентрации кислорода, что негативно
сказывается на самочувствии человека. Именно поэтому углекислый газ относят к вредным выделениям, и для него существуют предельно допустимые
концентрации.
ПДК для углекислого газа, в отличие от других вредных веществ,
обычно указывают не в мг/м3, а в л/м3 . В некоторой литературе концентрацию СО2 указывают в процентах по объему. Учитывая, что 1 м3 равен 1000 л,
1 л/м3 равен 0,1% по объему или 1900 мг/м3. Значения ПДК для СО2 составляют от 0,7 л/м3 для больниц до 2 л/м3 для магазинов и приведены в разделе
"Расчетные параметры воздуха".
Ниже в таблице 1 указано влияние повышенных концентраций СО2 на
человеческий организм.
Таблица 1. Влияние концентраций углекислый газ на человеческий организм
Концентрация СО2
% по
л/м3
объему
1-2
10-20
2
20
3
30
5
6
10
50
60
100
Результат воздействия СО2
При непрерывном воздействии нарушается электролитический баланс в теле человека
После нескольких часов воздействия появляется слабая головная боль и одышка
Сильная головная боль, обильное выделение пота,
одышка
Депрессивное состояние
Ухудшается зрение, появляется озноб
Потеря сознания
Выделяющееся в помещении тепло влияет на тепловой комфорт человека. Понятие теплового комфорта рассматривалось в курсах "Строительная
теплофизика" и "Отопление". Напомним основные положения.
С точки зрения теплотехники тело человека представляет нагретое тело с внутренними источниками теплоты, температура которого должна поддерживаться на постоянном уровне 36,6°. Теплота от тела может отводиться
следующими путями:
а) за счет теплоотдачи с поверхности ввиду наличия разности температур тела и окружающего воздуха;
б) за счет передачи явной и скрытой теплоты с выдыхаемым воздухом;
в) за счет скрытой теплоты, затрачиваемой на испарение влаги с поверхности кожи.
Передача теплоты тем или иным путем зависит от параметров воздуха
в помещении, средней радиационной температуры окружающих поверхностей.
Явное тепло с поверхности тела передается за счет конвективного и
лучистого теплообмена. Когда температура окружающего воздуха низкая, то
теплоотдача конвекцией идет интенсивно, и существенно снижается с понижением температуры. Когда температура внутреннего воздуха становится
равной температуре тела, теплоотдача конвекцией равна 0. Можно считать,
что теплоотдача конвекцией пропорциональна разнице температур тела человека и окружающего воздуха. Кроме того, теплоотдача конвекцией с поверхности кожи сильно зависит от подвижности воздуха в помещении. Наличие застойных зон с низкой подвижностью воздуха ухудшает теплоотдачу
конвекцией и, кроме того, способствует локальному повышению в этих зонах
концентрации вредных веществ. Теплоотдача излучением зависит от температуры окружающих поверхностей. Особенно чувствительны к излучению
оголенные поверхности кожи человека.
В специальной литературе приводятся диаграммы комфортных условий человека, то есть сочетания параметров, при которых средний человек
ощущает тепловой комфорт. Параметры микроклимата, при которых тепло
отводится от тела человека естественным путем и не требуется напряжение
системы терморегуляции организма, называются оптимальными параметрами. Параметры микроклимата, при которых система терморегуляции организма при небольшом напряжении способна успешно обеспечить отвод образующегося тепла от тела, и тем самым поддержать нормальную температуру
тела, называются допустимыми параметрами. При других сочетаниях параметров человек чувствует сильный дискомфорт, так как система терморегуляции работает с большим напряжением. В некоторых ситуациях, например при высокой температуре и влажности, система терморегуляции не
справляется со своей задачей и наступает перегрев организма.
5.5. Расчет поступления вредностей от людей
Расчет поступлений всех вредностей от людей (тепла, влаги и углекислого газа), как правило, выполняется одновременно, так как при этом используется одна и та же методика и нормативная литература. Расчет следует
выполнять для трех периодов: холодного, переходного и теплого, и вести его
с учетом принятого значения температуры внутреннего воздуха для каждого
периода года. Расчет выполняется с использованием удельных значений тепловыделений, влаговыделений и газовыделений, приводимых в справочной
литературе (таблица 4), причем раздельно подсчитываются явные и полные
тепловыделения от людей.
Qя = qя N;
Qп = qп N;
Мw = mw N;
VСО2 = vсо2 N,
где N
— количество людей в помещении;
qя , qп — удельные выделения явного и полного тепла, Вт/чел;
Qя , Qп — общие теплопоступления явного и полного тепла от людей, Вт;
mw
— удельные выделения влаги одним человеком, г/(час чел);
Мw
— общее поступление влаги от людей, г/час;
v со2
— удельные выделения СО2 одним человеком, л/(час чел);
VСО2 — общее поступление углекислого газа от людей, л/час.
Удельные поступлений вредностей от людей зависят от тяжести выполняемой работы и температуры воздуха в помещении и принимаются по
справочной литературе. Данные для людей, находящихся в состоянии покоя,
приведены в таблице 3.
Таблица 3. Удельные выделения вредностей от людей, находящихся
в состоянии покоя (взрослые мужчины)
Показатели
Единица
измерения
Явное тепло
Полное тепло
Влага
Углекислый газ
Вт/чел
Вт/чел
г/(час чел)
л/(час чел)
Удельные выделения вредностей
одним человеком при температуре
воздуха в помещении, С
10
15
20
25
30
35
140 120
90
60
40
10
165 145 120
95
95
95
30
33
40
50
75
115
23
Примечания:
1) Для детей до 12 лет выделения вредностей принимать с коэффициентом 0,5.
2) Для женщин выделения вредностей принимать с коэффициентом 0,75.
5.6. Расчет теплопоступлений в помещения общественных зданий
Расчет теплопоступлений и тепловых потерь для расчетного помещения следует выполнять для трех периодов: холодного, переходного и теплого.
Тепловые потери в общественных зданиях происходят через наружные ограждения и на нагрев воздуха, инфильтрирующего через неплотности
в оконных и дверных проемах. Расчет тепловых потерь следует производить
в соответствии с типовой методикой, изучаемой в курсах "Строительная теплофизика" и "Отопление". Расчет тепловых потерь следует вести с учетом
принятого значения температуры внутреннего воздуха для холодного периода.
Теплопоступления в помещения в общественных зданиях складываются из следующих составляющих:
а) тепло от людей;
б) тепло от системы отопления;
в) тепло от источников искусственного освещения;
г) тепло от солнечной радиации через окна;
д) тепло от солнечной радиации через покрытие.
5.6.1. Теплопоступления от системы отопления
Теплопоступления от системы отопления Qсо, Вт, определяют путем
пересчета тепловых потерь на расчетную температуру внутреннего воздуха
для отопления. Расчетная температура внутреннего воздуха принимается для
залов театров и клубов, где люди находятся без верхней одежды, равной 16
С, а для кинотеатров, 14 С.
Qсо = Qтп (tв.ве – tн) / (tв.от – tн),
где Qтп — расчетные теплопотери, определенные при расчетной температуре внутреннего воздуха, Вт;
tв.ве — расчетные температуры внутреннего воздуха для расчета вентиляции, С;
tв.от — расчетные температуры внутреннего воздуха для расчета отопления, С;
tн — расчетная температура наружного воздуха, С.
5.6.2.Теплопоступления от источников искусственного освещения
Теплопоступления от источников искусственного освещения Qосв, Вт,
могут быть определены по величине нормируемой освещенности помещения
и площади пола
Qосв = Е F qосв ηосв ,
где Е — нормативная освещенность, лк (для зрительных залов 200 лк при
использовании люминесцентных светильников и 100 лк при использовании ламп накаливания);
F — площадь пола помещения, м2;
qосв — удельные тепловыделения от светильников, Вт/(лк м2) (от 0,05 до
0.15 для люминесцентных светильников и от 0,13 до 0,25 для ламп
накаливания);
ηосв — доля тепловой энергии, попадающей в помещение (если светильники установлены непосредственно в помещении, то ηосв = 1, а если вне помещения, то ηосв = 0,85 для ламп накаливания и ηосв = 0,55
для люминесцентных светильников).
Для кинотеатров теплопоступления от искусственного освещения
учитывать не следует, так как в них освещение используется только в перерывах меж3у сеансами и уровень освещенности значительно ниже.
5.6.2. Теплопоступления от солнечной радиации через окна
Теплопоступления от солнечной радиации через окна, называемые в
СНиП термином "лучепрозрачные проемы", определяются только для теплого периода в том случае, если в расчетном помещении имеются окна или
прозрачные застекленные двери.
Расчетная модель поступления теплоты в помещение приведена на
рисунке 4.
Поглощение
тепла потолком
Оконный проем,
Прямая радиация
находящийся в тени
Рассеянная
радиация
Рассеянная
радиация
Оконный проем,
облучаемый солнцем
Итоговые теплопоступления
в воздух помещения
Поглощение
тепла полом
Рис 4. Схема поступления тепла солнечной радиации
через лучепрозрачные вертикальные проемы
Тепловое излучение от солнца, которое зависит от широты местности,
ориентации проема и расчетного часа суток, может поступать через окна в
помещение непосредственно с прямыми солнечными лучами (прямая радиация) и за счет отражения от окружающих поверхностей (рассеянная радиация). Часть теплового потока поглощается пылью, находящейся в атмосфере,
часть, отражается от поверхности стекол, часть поглощается конструкцией
переплетов. Поэтому в помещение поступает уменьшенный тепловой поток,
величина которого определяется загрязненностью атмосферы и конструкцией
окон. Тепло, поступившее в итоге в помещение, не может быть все передано
воздуху помещения, так как некоторая его доля будет поглощена внутренними ограждениями помещения – полом, потолком и внутренними стенами.
Степень поглощения зависит от количества и площади внутренних ограждений, их материала и периода времени поступления солнечной радиации в помещение.
Таким образом, подробный расчет требует учета большого количества
факторов. В инженерной методике расчета за стандартный вариант принято
поступление тепла через одинарное остекление толщиной 3 мм, а учет дополнительных факторов осуществляется путем введения поправочных коэффициентов. Расчет теплопоступлений от солнечной радиации через вертикальные проемы Qср, Вт, выполняется для конкретного часа суток по формуле
Qср = ∑ (qпр К1пр + qр К1р) F К2 Котн Ксз Как
где qпр , qр — прямая и рассеянная солнечная радиация через стандартный
оконный проем данной ориентации в расчетный час суток,
Вт/м2, определяются по таблицам в справочной, учебной и
нормативной литературе;
К1пр , К1р — поправочные коэффициенты, учитывающие загрязнение атмосферы и затенение проема переплетами для облучаемого солнцем проема и необлучаемого;
К2
— поправочный коэффициент, учитывающий загрязнение стекла;
Котн
— поправочный коэффициент относительного проникания солнечной радиации через проем, отличающийся от стандартного
(учитывает толщину и количество стекол и наличие солнцезащитных устройств);
Как
— поправочный коэффициент, учитывающий влияние аккумуляции тепла внутренними ограждениями.
Значения всех входящих в формулу параметров выбираются из нормативной литературы для расчетного часа суток и заданной ориентации
ограждений. За расчетный час следует принимать такой час в период работы
предприятия, когда имеют место максимальные значения теплопоступлений
от солнечной радиации.
При нескольких окнах, имеющих различную ориентацию, следует
просчитать теплопоступления в течение каждого часа рабочего периода
предприятия и выбрать за расчетный час тот, в который теплопоступления
максимальны. Учитывая большое количество однотипных вычислений,
обычно расчет выполняют на компьютере по имеющимся программам.
5.6.4. Теплопоступления от солнечной радиации через покрытие
Теплопоступления от солнечной радиации через покрытие, называемые в СНиП термином "массивные ограждения", допускается определять для
целей вентиляции только для теплого периода по среднесуточным значениям.
Теплопоступления через покрытие не учитывают, если в помещении
имеется подшивной потолок с вентилируемым пространством. Эта ситуация
наиболее характерна для крупных зрительных залов, имеющих подшивной
потолок для улучшения внутреннего интерьера, организации вытяжки воздуха и прокладки приточных воздуховодов к потолочным плафонам. Если имеется подшивной потолок или воздушная прослойка, но воздушное пространство не вентилируется, то теплопоступления учитывают с коэффициентом
0,6.
Расчетная модель теплопоступлений через покрытие приведена на рисунке 5.
Солнечная радиация
на покрытие
Теплоотдача
к наружному воздуху
Ветер v, м/с
tну
Покрытие
Теплопроводность через
покрытие
tв
Итоговые теплопоступления
в воздух помещения
Конвективное тепло
от потолка
Поглощение
тепла полом
Лучистое тепло
от потолка
Рис 5. Схема поступления тепла солнечной радиации
через непрозрачное ограждение (покрытие)
Тепло солнечной радиации, поступающее на покрытие, нагревает его
и повышает температуру наружной поверхности. За счет теплоотдачи к
наружному воздуху (обдувания ветром и излучения в атмосферу) часть тепла
отбирается от покрытия, несколько снижая температуру наружной поверхности. Оставшаяся доля теплового потока, поступившего на покрытие. посредством теплопроводности передается через толщу конструкции покрытия к
внутренней поверхности — потолку помещения. прогрев внутренней поверхности происходит постепенно, с запаздыванием из-за инерционных свойств
ограждения. От нагретой внутренней поверхности тепло передается в помещение в основном конвективным путем. Однако при тонких покрытиях с малым сопротивлением теплопередачи (например, из листового железа по деревянной обрешетке) излучение от потолка может играть существенную роль за
счет высокой температуры внутренней поверхности. Часть излученного тепла попадает на внутренние ограждения, например, пол, и частично поглощается ими. Остальная часть передается воздуху помещения.
Расчет теплопоступлений ведется по среднесуточным значениям теплового потока на покрытие по обычной формуле теплопередачи через покрытие
Qср = (tну - tв) Fп / Rп ,
где tну — условная наружная температура воздуха над покрытием (примерно
равна температуре наружной поверхности покрытия), С;
tв – расчетная температура внутреннего воздуха в верхней зоне помещения
под покрытием, С; Fп – площадь покрытия, м2; Rп – сопротивление теплопередачи покрытия (берется по данным теплотехнического расчета), (м2 С)/Вт.
Условная наружная температура воздуха над покрытием определяется
по формуле
tну = tн + qср ρп / αн ,
где tн – расчетная температура наружного воздуха (параметры А), С; qср –
среднесуточный тепловой поток солнечной радиации на горизонтальную поверхность, зависит от широты местности, принимается по таблице 4, Вт/м2;
ρп – коэффициент поглощения солнечной радиации поверхностью покрытия,
принимается по таблице 5; αн – коэффициент теплоотдачи к воздуху на
наружной поверхности покрытия, Вт /(м2 С).
Таблица 4. Среднесуточный тепловой поток солнечной радиация на
горизонтальную поверхность
Широта,
0
4
8
12
16
20
qср, Вт
304
315
326
336
345
353
Широта,
24
28
32
36
40
44
qср, Вт
257
259
352
344
333
331
Широта,
48
52
56
60
64
68
qср, Вт
328
329
327
319
319
332
Коэффициент теплоотдачи к воздуху на наружной поверхности покрытия для летнего режима определяется по формуле
αн = 1,163 (5 + 10 vн ),
где vн – расчетная скорость ветра для теплого периода (параметры А), м/с.
Таблица 5. Коэффициент поглощения солнечной радиации
различными материалами наружной поверхности покрытия
Материал наружной поверхности
Алюминий листовой
Асфальтобетон
Светлый гравий
Рубероид с песчаной посыпкой
Сталь листовая, окрашенная охрой
Сталь листовая, окрашенная
Сталь листовая оцинкованная
Черепица
Шифер
Коэффициент
поглощения
0,5
0,9
0,65
0,9
0,8
0,6
0,65
0,7
0,65
Теплопоступления через покрытие не учитывают, если в помещении
имеется подшивной потолок с вентилируемым пространством. Эта ситуация
наиболее характерна для крупных зрительных залов, имеющих подшивной
потолок для улучшения внутреннего интерьера. Если имеется подшивной потолок или воздушная прослойка, но воздушное пространство не вентилируется, то теплопоступления учитывают с коэффициентом 0,6.
Более подробная методика расчета, используемая при проектировании
кондиционирования воздуха, учитывает инерционные свойства покрытия, запаздывание максимума теплопоступлений и амплитуду колебаний теплового
потока.
6. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС РАСЧЕТНОГО ПОМЕЩЕНИЯ
Тепловой баланс расчетного помещения составляется для определения избытков или недостатков тепла, которые должна компенсировать система вентиляции.
В помещении, в котором поддерживается постоянный (стационарный,
не меняющийся во времени) тепловой режим, должен наблюдаться тепловой
баланс (это следует из закона сохранения теплоты)
∑Q = 0 или Qпост – Qпот = 0 или Qизб = 0.
Даже если бы в помещении не было систем обеспечения микроклимата, то есть систем отопления и вентиляции, баланс тепла все равно бы соблюдался, просто баланс существовал бы при температурах внутреннего воздуха, неприемлемых для человека. Наличие систем отопления и вентиляции
позволяет обеспечить тепловой баланс при требуемой температуре внутреннего воздуха. Таким образом, если при расчетной температуре внутреннего
воздуха баланс не наблюдается, то есть имеют место избытки или недостатки
теплоты, система вентиляции должна скорректировать баланс, введя в помещение точно такое же количество теплоты, но с противоположным знаком
Qве = – Qизб
Таким образом, для определения расчетной тепловой (холодильной
или отопительной) способности системы следует произвести расчет избытков теплоты в помещении путем суммирования всех теплопоступлений и
теплопотерь с учетом знака (теплопотери учитываются со знаком "минус").
Отметим, что термины теплопоступлений и теплопотери отражаю тлишь
направление потоков теплоты: теплопоступления – это поток теплоты внутрь
помещения, а теплопотери – поток теплоты из помещения, как показано на
рисунке 6.1.
Солнечная радиация
через покрытие
Солнечная радиация
через остекление
Теплопоступления
от людей
Теплопоступления
от освещения
+Qпокр
+Qосв
+Qост
– Qогр
+Qлюд
Теплопотери через
наружные ограждения
Теплопоступления от
системы отопления
+Qсо
Рис 4. Теплопоступления и теплопотери в помещение общественного здания
(к расчету избытков теплоты)
Можно сказать, что теплопотери – это отрицательные теплопоступления. Два термина используются лишь для того, чтобы в разговорной речи и
при записи большинства расчетных зависимостей не указывать знаком "минус" перед значением тепловых потерь.
Учитывая наличие знака "минус" перед значением тепловых потерь,
результат суммирования теплопоступлений и теплопотерь может оказаться
как положительным, так и отрицательным. В первом случае говорят об избытках теплоты в помещении, а во втором случае – о недостатках теплоты.
Два термина опять-таки используются исключительно ради того, чтобы не
упоминать все время действительный знак результата вычислений.
Таблица теплового баланса составляется для трех периодов года по
форме, приведенной в конце данного раздела. Хотя данная таблица и называется "Таблица теплового баланса", на самом деле из нее как раз чаще всего и
следует, что теплового баланса в помещении без вмешательства системы
вентиляции и нет. Так что правильнее было бы ее называть "таблицей небаланса". На самом деле это просто типовая форма, в которой подсчитываются
избытки или недостатки теплоты, которые должна компенсировать система
вентиляции.
Если в помещении выделяется влага, что обычно и бывает в общественных зданиях (влага поступает от людей), то избытки и недостатки теплоты в помещении подсчитываются раздельно для явного и для полного тепла.
Для общественных зданий характерно наличие водяной системы
отопления с местными нагревательными приборами. Такая система является
постоянно действующей и работает круглые сутки, в отличие от систем дежурного отопления промышленных зданий, которые могут отключаться в
рабочее время (в первую очередь это касается систем воздушного отопления). Поэтому обычно при составлении таблицы теплового баланса общественных зданий предполагается, что система отопления будет работать, и
тепловые поступления от нее включаются в одну из колонок графы "теплопоступления". Тепловой же баланс для промышленного здания обычно составляется без учета теплопоступлений от отопления, так как вопрос о выборе типа системы отопления и ее режима работы решается позднее.
Тепловой баланс общественного здания обычно складывается из типовых составляющих, рассмотренных в разделе "Поступление вредностей" и
приведенных на рисунке 6.1. Конечно, теплопотери через ограждения имеют
место только в холодный и переходный период года, а поступления теплоты
от солнечной радиации обычно учитывается только в теплый период года.
Кроме того, если теплопоступления от солнечной радиации через остекление
больше расчетных теплопоступлений от освещения, то при подсчете избытков теплоты учитываются только они, а если меньше – только теплопоступления от освещения.
Результаты расчета теплового баланса используются для расчета воздухообмена по тепловым избыткам.
Таблица
Наименование помещения, объем
Период
года
Зрительный
зал,
V=
м3
ХП
ПП
ТП
— Тепловой баланс зрительного зала
tв,
С
Теплопотери,
Вт
через на
всего
наруж инные
филь
ограж традения цию
от людей
Теплопоступления, Вт
(полное/явное)
от
от СР от си- всего
осве через стемы
ще- поотопния крыления
тие
Избыт- Недоки,
статки,
Вт
Вт
Теплонапряженность,
Вт/м3
7. ТРЕБУЕМЫЕ ВОЗДУХООБМЕНЫ
7.1. Понятие требуемого воздухообмена и основные принципы
его расчета
Вентиляция (ВЕ) предназначена для удаления вредностей из помещения путем создания воздухообмена (ВО). Желательно, чтобы эта цель ВЕ
обеспечивалась бы при минимальных расходах воздуха и, соответственно,
минимальных затратах на обработку воздуха. Поэтому при проектировании
ВЕ одной из важнейших задач является определение минимального воздухообмена, при котором может быть достигнут требуемый результат с заданным коэффициентом обеспеченности. Этот минимально требуемый воздухообмен обычно называют просто требуемым воздухообменом (ТВО).
Расчет ТВО для основных помещений производится для трех расчетных периодов: теплого (ТП), переходного (ПП) и холодного (ХП). Перед расчетом составляется расчетная схема помещения, вариант которой применительно к помещению общественного здания приведена на рисунке 7.1.
Верхняя зона
Gу
t у , d у , Iу , c у
Мвл , Qизб,я , VCO2
Gп
tп , dп , Iп , cп
Рабочая зона (РЗ)
Рис. 7.1. Расчетная схема помещения
Для расчета ТВО необходимо знать лишь условия в помещении и на
его границе: параметры воздуха при выпуске его в помещение, внутри помещения и при удалении его из помещения, а также количество выделяющихся
вредностей. Параметры наружного воздуха и на отдельных стадиях обработки его в приточной камере не принципиальны — при расчете ТВО рассматривается исключительно само помещение.
При расчете ТВО предполагается стационарный режим вентиляции,
при котором все выделяющиеся вредности удаляются из помещения вместе с
удаляемым воздухом. При этом не происходит накапливания вредностей в
помещении, и значения концентраций вредностей и температур имеют постоянное значение, не изменяющееся во времени.
С понятием стационарного режима в любой области всегда связано
понятие баланса, то есть равновесия, равенства. Это следует из законов сохранения вещества и энергии. Применительно к рассматриваемому вопросу
можно говорить о балансе по воздуху и по выделяющимся вредностям.
Баланс по воздуху описывается уравнением
∑G = 0
При этом полагается, что суммирование ведется с учетом знака:
приток воздуха (стрелка на расчетной схеме направлена внутрь помещения)
считается положительной величиной, а вытяжка (стрелка на схеме направлена наружу, из помещения) считается отрицательной величиной.
Баланс по той или иной вредности описывается аналогичными уравнениями
∑Qизб.я = 0;
∑Qизб.я = 0;
∑Мw = 0; ∑VСО2 = 0.
При этом суммирование также ведется с учетом знака: вредности, поступающие в помещение (выделяющиеся в нем или вносимые с приточным
воздухом) считаются положительной величиной, а вредности, удаляемые из
помещения вместе с удаляемым воздухом считаются отрицательными величинами.
В развернутом виде уравнение воздушного баланса выглядит следующим образом
Gп – Gу = 0
Уравнения баланса по вредностям в развернутом виде выглядят следующим образом
3,6 Qизб.я + Gп с tп – Gу с tу = 0
3,6 Qизб.п + Gп Iп – Gу Iу = 0
Мw + Gп dп – Gу dу = 0
VСО2 + Gп Сп /ρп – Gу Су/ρу = 0
Величина явного и полного теплопоступлений в приведенных формулах выражена в Вт, поступления влаги — в г/час, поступления углекислого
газа — в л/час. Значения расходов приточного и вытяжного воздуха выражены в кг/час.
Комбинируя одно из уравнений баланса по той или иной вредности с
уравнением баланса по воздуху, получают систему двух уравнений, из которой можно определить два неизвестных: расход приточного воздуха Gп и
расход удаляемого воздуха Gу . Но для этого еще до расчета самого воздухообмена все остальные величины, входящие в балансные уравнения,
должны быть предварительно каким-либо образом определены.
Выбор параметров наружного и внутреннего воздуха, а также температур приточного и удаляемого воздуха рассмотрен в разделе "Расчетные параметры воздуха". Определение количеств выделяющихся вредностей рассмотрено в разделе "Выделение вредностей в помещения". Остальные параметры приточного и удаляемого воздуха определяют по I-d диаграмме влажного воздуха, выполнив на ней построение схемы вентиляционного процесса
для рассматриваемого периода года. При построении предполагают, что про-
цесс обработки воздуха будет прямоточным, то есть без использования рециркуляции воздуха.
Следует отметить, что построение процесса на I-d диаграмме целесообразно в том, и только в том случае, если в помещении выделяется влага,
или производится обработка приточного воздуха с изменением его влагосодержания (увлажнение или осушение). В противном же случае использование I-d диаграммы не дает никаких преимуществ, и для расчетов достаточно
знать лишь температуры воздуха. В помещения общественных зданий почти
всегда поступает влага, выдыхаемая людьми, поэтому расчет воздухообменов обычно ведут с использованием I-d диаграммы влажного воздуха.
7.2. Построение прямоточных вентиляционных процессов
на I-d диаграмме
Прямоточные вентиляционные процессы строят на I-d диаграмме для
трех периодов года. Перед построением предварительно определяют расчетные параметры наружного воздуха, допустимые параметры внутреннего воздуха, предполагаемые температуры приточного и удаляемого воздуха. Затем
расчетом определяют угловой коэффициент луча процесса в помещении,
то есть процесса изменения состояния приточного воздуха после выпуска его
в помещение. При этом условно считается, что помещение разделено на две
зоны: рабочую зону (РЗ) и верхнюю зону. Приточный воздух, вбирая вначале тепло и влагу из РЗ, принимает параметры, соответствующие расчетным
параметрам РЗ. Затем, условно поднимаясь из РЗ в верхнюю зону, он вбирает
тепло и влагу из нее, принимает параметры, соответствующие расчетным параметрам воздуха в верхней зоне.
Подчеркнем, что деление помещения на РЗ и верхнюю зону достаточно условно, так как часто очень трудно выделить из общего количества теплопоступления и вредности, поступающие именно в РЗ. Кроме того, воздух
редко подается именно в РЗ, так как это конструктивно достаточно сложно,
нарушает интерьер, требует раздачи воздуха с малыми скоростями и, как
следствия, большой площади воздухораспределительных устройств. Чаще
воздух подается в верхнюю зону струями из решеток или потолочных плафонов, при этом он вначале воспринимает тепло, влагу и другие вредности
именно из верхней зоны, а не из РЗ. В принципе, деление помещения на две
зоны придумано для того, чтобы отразить тот факт, что главной заботой вентиляции и обслуживаемой ею зоной является именно РЗ, а также подтвержденный на практике факт существования разности температур в РЗ и в
верхней зоне помещения. Если считать помещение одним большим общим
объемом, то пришлось бы принимать в расчетах одну среднюю температуру
по всему объему помещения. Однако, теплый воздух всегда стремится вверх,
и в верхней зоне, как правило, температура воздуха выше, чем в РЗ. Это расслоение воздуха наблюдается в любом помещении, в котором имеются кон-
вективные источники теплоты, причем даже при общих недостатках теплоты.
Расслоение воздуха зависит именно от наличия конвективных струй в помещении, а не от средней температуры воздуха. Воздух из помещений удаляется чаще всего именно из верхней зоны, поэтому в расчеты желательно вводить более точное значение температуры воздуха в ней, определенное с учетом предполагаемого расслоения воздуха по высоте помещения. Таким образом, при делении объема помещения на две зоны расчетная модель помещения становится более корректной и больше соответствует реальным условиям.
Учитывая, что трудно разделить два этапа восприятия приточным
воздухом избыточного тепла и влаги в РЗ и верхней зоне, считается, что лучи
двух этих процессов на I-d диаграмме идут под одним наклоном, и угловой
коэффициент луча процесса в помещении определяется по общим избыткам
полного тепла и влаги
ε = 3600 Qизб.полн / Мw
Величина полных теплопоступлений Qизб.полн в приведенной формуле
выражена в Вт, а поступления влаги Мw — в г/час. Значение ε получается в
кДж/кг. При использовании в расчете других единиц измерения следует учитывать перевод единиц.
7.2.1. Построение схемы прямоточного вентиляционного
процесса для холодного и переходного периодов года
Пример построения схем для холодного и переходного периодов приведен на рисунке 7.2. Порядок построения для каждого периода следующий:
1) По температуре наружного воздуха tн и его энтальпии Iн строят точку Н наружного воздуха.
2) Из точки Н по линии dн = const проводят вертикально вверх линию процесса нагрева воздуха в калорифере и вентиляторе Н-П до линии
принятой температуры притока tп и на пересечении ставят точку П.
3) Температуру окончания подогрева воздуха в калорифере принимают с учетом подогрева воздуха в вентиляторе и воздуховодах на 0,5-1° ниже
температуры притока. На пересечении ранее построенной линии dн = const и
линии полученного значения температуры tк ставят точку К.
4) Из точки П проводят линию с угловым коэффициентом ε, отражающую процесс изменения состояния приточного воздуха, и на пересечении
ее с линиями температур внутреннего tв и удаляемого tу воздуха ставят соответственно точки В и У.
Воздух в РЗ должен иметь влажность не более 65%, поэтому точка В
должна располагаться левее кривой φмакс = 65%. Для холодного и переходного периодов так почти всегда и бывает, так как наружный воздух при низкой
температуре имеет маленькое влагосодержание.
Температуры внутреннего и приточного воздуха для холодного и переходного периодов принимают, как правило, одинаковые. Основное различие в постоении заключается лишь в положении точки наружного воздуха.
t оС
εх
εп
φмакс = 65%
Уп
φ = 100%
Ух
tУ
Вх
tВ
Пх
tП
tК
Вп
Пп
Кп
Кх
Нп
tНп
IНп
Нх
tНх
dНп
dУп
d, г/кг
IНх
Рис. 7.2 Прямоточные вентиляционные процессы для холодного и переходного
периодов года
7.2.2. Построение схемы прямоточного вентиляционного
процесса для теплого периода года
Для теплого периода производить нагрев воздуха в калорифере бессмысленно, поэтому точка К в построении отсутствует. Построение процесса
производится так же, как для холодного периода, только линия нагрева Нт-Пт
отображает нагрев воздуха на 0,5 - 1о только в вентиляторе. Пример построения процесса приведен на рисунке 7.3.
Для жаркого и сухого климата воздух перед подачей его в помещение
обычно охлаждается адиабатически в оросительной камере или другом испа-
рительном устройстве, а после процесс организуется обычным образом. Дополнительный процесс испарительного охлаждения позволяет при жарком
наружном воздухе без использования холодильной машины поддерживать в
помещении приемлемые значения температуры внутреннего воздуха. Пример
такого процесса приведен также на рисунке 7.3. Линия Нж-Аж отображает
процесс адиабатического охлаждения наружного воздуха для жаркого климата.
εт
о
t С
εж
Нж
Уж
Ут
tН
Вж
φ = 100%
tУ
φ = 95%
Вт
tВ
Пж
Пт
tП
tН, tА
Аж
Нт
Адиабатическое
охлаждение
IНт
dНт
dУт
d, г/кг
Рис. 7. Прямоточные вентиляционные процессы для теплого периода года
(для обычного и жаркого климата)
Следует отметить, что для теплого периода не всегда удается выдержать требование по относительной влажности внутреннего воздуха (максимальное значение не должно превышать 65%). Поэтому, согласно СНиП, в
местностях с высокой влажностью наружного воздуха допускается принимать значения влажности внутреннего воздуха до 75%. Тем не менее, в приморском климате даже 75% могут быть обеспечены не всегда.
7.3. Расчет требуемых воздухообменов
Энтальпию и влагосодержание приточного и удаляемого воздуха
определяют обычно не расчетом по формулам, а снимая значения с I-d диаграммы. Снимать значения следует достаточно аккуратно и точно, чтобы избежать сильного расхождения результатов расчета воздухообменов.
Обычно параметры воздуха студенты представляют в виде таблицы,
помещаемой в пояснительной записке рядом со схемой вентиляционных
процессов. Наличие такой таблицы позволяет компактно отразить все параметры, и при необходимости быстро найти требуемое значение.
Требуемые воздухообмены по различным видам вредностей определяют, как отмечалось выше, решая систему из двух балансных уравнений:
первое уравнение выражает закон сохранения вещества по отношению к перемещаемому через помещение воздуху (баланс по воздуху), а второе — закон сохранения вещества или теплоты по отношению к той или иной вредности (баланс по вредности).
∑G = 0;
∑Мвр = 0
Общее количество воздуха, проходящего через помещение, называется воздухообменом и обозначается Gо. Для общественного здания при отсутствии местных отсосов и местного притока обычно имеет место равенство
общего воздухообмена, приточного и удаляемого воздуха
Gо= Gп= Gу. Решая составленную систему относительно Gо, получаем окончательное выражение для расчета требуемого воздухообмена по данному типу вредности.
Вид балансного уравнения по вредности и окончательное решение системы для различных видов вредных выделений приведены в таблице 7.1.
Таблица 9. Определение воздухообменов по различным вредностям
Расчетная
вредность
Явное
тепло
Полное
тепло
Влага
Углекислый
газ
Балансное уравнение
по вредности
Формула для расчета
воздухообмена
3,6 Qизб.я + Gп с tп – Gу с tу = 0
Gо = 3,6 Qизб.я / с ( tу – tп)
3,6 Qизб.п + Gп Iп – Gу Iу = 0
Gо = 3,6 Qизб.п / (Iу – Iп)
Мw + Gп dп – Gу dу = 0
Gо = Мw /(Iу – Iп)
VСО2 + Gп Сп /ρп – Gу Су/ρу = 0
Gо = VСО2 /( Су/ρу – Сп /ρп )
Примечание: Величина явного и полного теплопоступлений в приведенных формулах выражена в Вт, поступления влаги — в г/час, поступления
углекислого газа — в л/час.
При расчете воздухообмена по углекислому газу символы Су, и Сп
означают концентрации углекислого газа в удаляемом и приточном воздухе
(а не теплоемкости !). Комплекс С/ρ предназначен для перевода концентрации из л/м3 в л/кг.
Следует отметить, что при правильном расчете и аккуратном снятии
параметров воздуха с I-d диаграммы требуемые воздухообмены по явному
теплу, полному теплу и по влаге должны получиться примерно одинаковыми,
так как базируются на одних и тех же исходных данных и одних и тех же построениях на I-d диаграмме. В реальной практике обычно не считают все три
воздухообмена, а рассчитывают только один, который, согласно построениям
на диаграмме, может быть определен с наибольшей точностью. Этот момент
является весьма важным, так как луч процесса в помещении может в направлении, близком к вертикальной линии. Тогда разница влагосодержаний удаляемого и приточного воздуха может оказаться очень малой – порядка 0,2-0,3
г/кг. Учитывая, что при снятии значения с диаграммы всегда имеет место некоторая неточность, в этих условиях она может сильно повлиять на результат
вычислений. так, если неточность определения влагосодержания каждого
воздуха всего 0,1 г/кг, то суммарная погрешность может составить 0,2 г/кг,
что соизмеримо с действительной разностью влагосодержаний, и при вычислении можно получить ошибку в значении расхода воздуха до 100%.
На практике выбирают лишь одну из расчетных формул в зависимости от углового коэффициента луча процесса, то есть направления линии на
I-d диаграмме:
а) если луч близок к вертикали (ε > 6000 кДж/кг), это означает, что
влаговыделения малы, а превалируют выделения явного тепла. Поэтому максимальную точность обеспечивает расчет по избыткам явного тепла (по температуре);
б) если наклон луча близок 45° (3000 < ε < 6000 кДж/кг), это означает,
что выделения явного и скрытого тепла соизмеримы. Поэтому максимальную
точность обеспечивает расчет по избыткам полного тепла (по энтальпии);
в) если луч близок к горизонтали (0 < ε < 3000 кДж/кг), это означает,
что выделения явного тепла невелики, а превалируют влаговыделения. Поэтому максимальную точность обеспечивает расчет по избыткам влаги (по
влагосодержанию).
В курсовом проекте в учебных целях студенты выполняют расчет воздухообменов по всем формулам.
Требуемый воздухообмен по санитарной норме определяется в соответствии с количеством людей в помещении и минимальным расходом
наружного воздуха, который требуется подавать в расчете на одного человека. Нормативные удельные воздухообмены приведены в Приложении 9
СНиП 2.04.05-91* "Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха".
Gо = Lуд ρн Nчел .
В помещениях общественных зданий без естественного проветривания этот расход равен 60 м3/(час чел), а для зрительных залов, залов совещаний и других помещений, в которых люди находятся до 3 ч непрерывно — 20
м3/(час чел). Для спортивных залов без зрителей минимальный расход
наружного воздуха равен 60 м3/(час чел). Если имеются зрители, расчет ведется отдельно для зрителей и спортсменов, а итоговый расход определяют
суммированием.
7.4. Расчет воздухообменов по кратности для вспомогательных
помещений
Для помещений вспомогательного назначения (санузлы, кладовые,
склады, административные помещения, вестибюли и фойе и др.), в которых
тепловой и воздушный режимы являются типовыми, не производят подробный расчет выделения вредностей и воздухообменов по вредностям. Для них
требуемый воздухообмен определяется по нормативной кратности.
Кратностью воздухообмена называется отношение объемного
расхода подаваемого или удаляемого воздуха к объему помещения.
К = L / Vпом.
По сути своей кратность воздухообмена – это удельный воздухообмен, то есть воздухообмен, отнесенный к 1м3 объема помещения.
Иногда говорят, что кратность воздухообмена показывает, сколько раз
за час сменяется воздух в помещении. Однако, это не совсем корректно, так
как при подаче воздуха в он не просто вытесняет воздух из помещения, а перемешивается с ним, разбавляя вредности. Обеспечить вентиляцию в режиме
чистого вытеснения воздуха из помещения крайне трудно — требуется подавать воздух почти изотермическом режиме с малыми скоростями. Это дорого
и нецелесообразно. Поэтому вентиляция вспомогательных помещений чаще
всего осуществляется в режиме перемешивания.
Нормативной кратностью называется удельный воздухообмен,
установленный нормативными документами на единицу объема помещения,
или на одну единицу оборудования, одного посетителя, одну порцию горячей
пищи, один санитарный прибор и так далее. Значения нормативных кратностей воздухообмена устанавливаются раздельно по притоку и вытяжке и
приводятся в соответствующих главах СНиП и в справочной литературе.
Расчет, таким образом, выполняется очень просто по формулам
Lпр = Кнорм.п Vпом ;
Lвыт = Кнорм.выт Vпом ;
или
Lпр = Кнорм.п Nед;
Lвыт = Кнорм.выт Nед ,
где Vпом, – объем помещения, м3;
Nед – число единиц чего-либо, по отношению к чему в справочной
литературе указана нормативная кратность.
Если не указана кратность по притоку, то это означает, что подавать
организованный приток в это помещение не следует (санузлы, курительные,
аккумуляторные, кладовые), и наоборот.
7.5. Выбор расчетного воздухообмена
Расчетный воздухообмен для основных помещений по каждому периода выбирают из вычисленных ранее значений требуемых воздухообменов
по каждой вредности и санитарной норме. В промышленных зданиях могут
быть и другие виды воздухообменов: по местным отсосам, по местному притоку, проветривание верхней зоны.
За расчетный воздухообмен всегда принимается наибольший из
требуемых воздухообменов.
После выбора расчетного воздухообмена обычно подсчитывают требуемую кратность
К = Lрасч / Vпом = Gрасч / (ρ Vпом ).
8. РЕЦИРКУЛЯЦИЯ ВОЗДУХА В СИСТЕМАХ ВЕНТИЛЯЦИИ
8.1. Сущность и назначение рециркуляции
Как правило, для зрительных залов расчетный воздухообмен (РВО) по
теплому периоду получается существенно больше, чем по холодному (ХП) и
переходному (ПП) периодам. Причиной этого является достаточно малая
разница температур приточного и удаляемого воздуха в летний период, так
как согласно нормам внутренняя температура может быть всего на 3 градуса
выше температуры наружного воздуха. Существенному повышению температуры удаляемого воздуха препятствует малое значение градиента температуры, вызванное низкой температурой источников теплоты (люди) и подача
воздуха в верхнюю зону, способствующая перемешиванию воздуха в помещении и выравниванию температуры по высоте.
В этих условиях при проектировании системы, работающей с постоянной производительностью все периоды года, в ХП и ПП приходится подавать значительное избыточное количество приточного воздуха. Если брать
весь приточный воздух из атмосферы при низкой температуре, то существенно возрастают затраты энергии на нагрев воздуха. Потребное же количество воздуха, как правило, существенно меньше, и определяется воздухообменом по углекислому газу или по санитарной норме.
Чтобы избежать излишнего расхода энергии на нагрев воздуха, применяют рециркуляцию внутреннего воздуха. Рециркуляция воздуха – это
повторное использование отработанного внутреннего воздуха. Рециркуляция
производится в основном с целью экономии тепловой энергии в холодный и
переходный периоды года, так как при этом приходится нагревать не весь
приточный воздух, а только наружный воздух, необходимый для дыхания
людей. Кроме того, использование рециркуляции позволяет стабилизировать
режим распределения воздуха в помещении, так как система работает при
постоянном расходе, и скорости приточных струй имеют постоянное значение во все периоды года.
Следует подчеркнуть, что рециркуляция не является обязательной.
Существуют системы с переменным расходом воздуха, подающие только
наружный воздух, требуемое количество которого определяется по сигналам
датчика углекислого газа или влажности. Чаще всего это системы кондиционирования специальных помещений, позволяющие за счет охлаждения получить низкие температуры приточного воздуха в летний период, и тем самым
существенно сократить требуемый воздухообмен по тепловым избыткам.
Для вентиляции же общественных зданий использование рециркуляции является почти обязательным. Рассмотрим основные соотношения.
При температуре внутреннего воздуха 25°С (летний режим) человек
выделяет примерно 60 Вт явной теплоты и примерно 50 г/час влаги. Выделение полной теплоты составляет 95 Вт. Если пренебречь другими источника-
ми теплоты, то значение углового коэффициента луча процесса в помещении
будет
ε = 3600 · 95 /50 =6840 кДж/кг
Такое значение луча процесса говорит о том, что количества явного и
скрытого тепла соизмеримы, однако явное тепло больше скрытого.
Примем разницу температур приточного и удаляемого воздуха 5°С.
Тогда требуемый удельный воздухообмен на одного человека по явному теплу будет
G = 3,6 · 60 /5 = 42 кг/час
Минимально требуемый воздухообмен на одного человека по санитарной норме равен 20 м3/час, или
G = 1,2 · 20 = 24 кг/час
Таким образом, расчетный воздухообмен по теплому периоду примерно в 2 раза больше минимально необходимого по наружному воздуху.
Чтобы можно было подавать только наружный воздух, необходимо
иметь разницу температур приточного и удаляемого воздуха 9-10 °С, что достижимо в теплый период только при использовании охлаждения наружного
воздуха и требует перехода к системе кондиционирования.
Для холодного и переходного периодов расчетная температура составляет 18 – 20°С. При такой температуре один человек в состоянии покоя
выделяет около 100 Вт явной теплоты и около 40 г/час влаги. Выделение
полной теплоты составляет 120 Вт. При отсутствии других источников теплоты значение углового коэффициента луча процесса в помещении будет
ε = 3600 · 120 /40 =108000 кДж/кг
Такое значение луча процесса говорит о том, что в эти периоды количества явного тепла существенно больше скрытого, и луч процесса идет почти вертикально. Таким образом, в холодный период основной вредностью
является явное тепло, а влагой можно пренебречь.
Учитывая низкую температуру наружного воздуха, можно существенно понизить и температуру приточного воздуха, однако слишком низкая температура при неудачном распределении воздуха может вызвать локальное переохлаждение отдельных зон помещения и ощущение холодного
сквозняка у людей. Практика показывает, что в зрительных залах можно довести разницу температур приточного и удаляемого воздуха до 8 – 10°С. Тогда требуемый удельный воздухообмен на одного человека по явному теплу
будет при
G = 3,6 · 100 /8 = 45 кг/час;
G = 3,6 · 100 /10 = 36 кг/час
Как видно, требуемый воздухообмен по тепловым избыткам имеет
примерно то же значение, что и летом. Причиной этого является увеличение
выделения явного тепла человеком при более низкой температуре внутреннего воздуха.
Минимально требуемый воздухообмен на одного человека по санитарной норме останется тем же – 24 кг/час.
Таким образом, даже для холодного и переходного периодов года
трудно обеспечить работу только на наружном воздухе. Кроме того, снижение производительности системы допустимо только в том случае, если схема
распределения воздуха позволяет при этом обеспечить необходимую подвижность в рабочей зоне.
Вышеприведенные соображения подводят нас к выводу о необходимости использования рециркуляции воздуха в большинстве общественных
зданий.
Отметим попутно, что для различных офисных и конторских помещений, в отличие от зрительных залов и им подобных помещений, характерно
относительно небольшое количество людей. Поэтому требуемый воздухообмен по санитарной норме для таких помещений небольшой. А воздухообмен
по явному теплу оказывается существенно больше, так как к тепловыделениям человека добавляются поступления тепла от компьютеров и освещения, а
летом существенную долю составляют теплопоступления от солнечной радиации, ввиду большой удельной площади остекления.
8.2. Схемы рециркуляции
При проектировании систем с рециркуляцией следует четко представлять, что рециркулирующий воздух не может удалить вредности из помещения. При этом не имеет значения, в какую точку системы он подмешивается. В любом случае рециркуляция представляет перемешивание внутреннего воздуха, при котором он условно поступает в помещение с той же
концентрацией и температурой, с какой удалялся из помещения. Удалить
вредности может только наружный воздух. Однако, если бы подавался только наружный воздух в том же количестве, то для удаления тепловых избытков его бы пришлось подавать с очень низкой температурой, что недопустимо для обеспечения комфорта людей. Подмешивание же внутреннего воздуха
к приточному позволяет увеличить его количество приточного воздуха, не
затрачивая энергию на нагрев и подавая его в помещение с приемлемой температурой.
Так как угловой коэффициент луча процесса в помещении определяется только соотношением полного избыточного тепла и влаги, он не может
измениться от того, есть рециркуляция или нет. Рециркуляция не изменяет
угловой коэффициент луча процесса в помещении.
На рисунке 8.1 приведены различные варианты осуществления рециркуляции.
а) Схема с рециркуляцией воздуха непосредственно внутри помещения потолочным вентилятором
Gу
tу= 22 °С
tв= 20 °С
Qя
Gн
tн = 5°С
б) Схема с рециркуляцией воздуха через потолочный канал
Gу
tу= 22 °С
tв= 20 °С
Qя
Gн
tн = 5°С
в) Схема с рециркуляцией воздуха через потолочный канал и подмешиванием наружного воздуха
Gн
tн = 5°С
Gу
tу= 22 °С
tв= 20 °С
tп = 15°С
Qя
г) Схема с рециркуляцией через центральную приточную установку
Gу
Gр
tр= 22 °С
Gн
tн = 5°С
tу= 22 °С
tв= 20 °С
Gп
tп = 15°С
Qя
Приточная установка
Рис. 8.1. Варианты рециркуляции воздуха
Рециркуляция потолочным вентилятором по схеме а осуществляется
непосредственно в объеме помещения. Изменить параметры притока наружного воздуха она не может, если в конструкции нет теплообменника. Такая
схема без теплообменника применяется в некоторых помещениях (магазины,
кафе, административные помещения) только для увеличения подвижности в
рабочей зоне. Собственно рециркуляцией этот вариант обычно и не считается. Температура притока наружного воздуха при этом очень низкая из-за
необходимости подавить тепловые избытки в помещении.
Если же к вентилятору конструктивно присоединен теплообменник,
то их совокупность, выполненная отдельным блоком, называется вентиляторным доводчиком, фенкойлом или фанкойлом (от английских слов fan –
вентилятор, и coil –змеевик, нагреватель). Теплообменник может обеспечивать охлаждение или нагрев рециркулирующего воздуха для подавления тепловых избытков или недостатков в помещении, а наружный воздух подается
без обработки или обрабатывается и подается отдельно со своими индивидуальными параметрами. При этом газовые вредности может удалить только
наружный воздух. В кондиционировании системы с фенкойлами используются достаточно широко, в вентиляции значительно реже из-за того, что
фенкойл не выполняет вентиляцию помещений, а изменяет лишь влияет
лишь на температуру внутреннего воздуха.
Рециркуляция через потолочный канал по схеме б осуществляется
чаще. Ее преимуществом является небольшая длина воздуховодов. В канале часто устанавливается теплообменник для нагрева или охлаждения воздуха, а также вентилятор для побуждения движения воздуха . Их совокупность,
выполненная отдельным блоком, называется вентиляторным доводчиком,
или фенкойлом, фанкойлом (от английских слов fan – вентилятор, и coil –
змеевик, нагреватель). Такая схема типична для кондиционеров с канальным
внутренним блоком. Изменить параметры притока она тоже не может, так
как рециркуляционный воздух циркулирует отдельно от приточного. Такая
схема широко применяется в помещениях малого и среднего объема. Выбрав
правильно количество рециркулирующего воздуха, можно обеспечить требуемую его температуру при выпуске в помещение.
Температура притока наружного воздуха при этом варианте также
очень низкая из-за необходимости подавить тепловые избытки в помещении
только наружным воздухом, если нет теплообменника в рециркуляционном
воздуховоде. Если же он есть, то он обеспечивает охлаждение рециркулирующего воздуха для подавления тепловых избытков, а наружный воздух подается без обработки или обрабатывается и подается отдельно со своими индивидуальными параметрами. При этом газовые вредности может удалить
только наружный воздух.
Обычно конструкция фенкойлов и внутренних блоков сплиткондиционеров предусматривает возможность подмешивания части наружного воздуха, и тогда получается схема в. Ее преимуществом является то, что
воздух подается в помещение через одну систему воздухораспределителей, и
его температура на притоке соответствует требованиям норм. Такие схемы
нашли широкое распространение в установках кондиционирования воздуха.
Для больших помещений, типа зрительных залов, системы с фенкойлами не применяются, так как это относительно простые установки, не имеющие специальной камеры смешивания, клапанов, устройств утилизации
теплоты и соответвующей автоматики. Кроме того, мощности фенкойлов
ограничены и часто недостаточны для обслуживания очень крупных помещений. Их вентиляторы развивают небольшие давления, что позволяет получить более низкий уровень шума, однако не позволяет преодолевать сопротивление протяженных воздуховодов и дополнительных устройств.
Поэтому вентиляцию таких помещений осуществляют, как правило,
при помощи достаточно крупных центральных установок, которые могут
включать любой состав оборудования. Рециркуляцию при этом осуществляют через основную установку по схеме г. Это позволяет очень гибко управлять установкой и обеспечивать наиболее экономичные режимы эксплуатации, управляя в оптимальном режиме всеми устройствами.
8.3. Рециркуляция в центральных приточных установках
Принципиальные схемы вентиляции при помощи центральных приточных установок показаны ниже на рисунке 8.2.
На рисунке а приведена прямоточная система без рециркуляции – это
самый простой вариант. Как уже отмечалось выше, работа по такой схеме
требует лишних затрат теплоты в зимнее время. Она может применяться
только в отдельных помещениях при соответствующем обосновании.
Система б с рециркуляцией до калорифера применяется наиболее часто. Ее основное преимущество в том, что она позволяет, закрыв клапан
наружного воздуха, осуществлять 100% рециркуляцию, используя вентиляционную систему в режиме воздушного отопления.
Система в с рециркуляцией после калорифера применяется в том случае, если непосредственное смешивание наружного воздуха и рециркуляционного приводит к выпадению конденсата (при построении процесса смешивания на I-d диаграмме точка смеси попадает ниже линии φ =100%).
При некотором усложнении системы можно избежать образования
конденсата, сохранив возможность работы системы в режиме 100% рециркуляции. Для этого используют смешанный вариант рециркуляции с двухступенчатым нагревом воздуха: предварительный подогрев наружного воздуха
(1-й подогрев) и окончательный нагрев смеси (2-й подогрев).
Одновентиляторные системы с рециркуляцией обладают одним существенным недостатком: разрежение в смесительной камере приточной
установки весьма незначительно, и при значительном удалении приточной
камеры от обслуживаемого помещения его не хватает для преодоления потерь давления в рециркуляционном воздуховоде. Приходится существенно
увеличивать сечение воздуховода, что усложняет его прокладку, а иногда делает ее вообще невозможной.
а) Прямоточная схема (без рециркуляции воздуха)
Gп
tп , dп , Iп , cп
Мвр
Gн
t н , d н , Iн , c н
Gу
t у , d у , Iу , c у
Воздухонагреватель
б) Схема с рециркуляцией воздуха до калорифера
Gс
Gр
t н , d н , Iн , c н
Gп
tп , dп , Iп , cп
Мвр
Gн
t н , d н , Iн , c н
Gу
t у , d у , Iу , c у
Воздухонагреватель
в) Схема с рециркуляцией воздуха после калорифера
Gс
Gр
t н , d н , Iн , c н
Gп
Gу
tп , dп , Iп , cп
Мвр
t у , d у , Iу , c у
Gн
t н , d н , Iн , c н
Воздухонагреватель
г) Двухвентиляторная схема с рециркуляцией воздуха до калорифера
Gу ,tу , dу , Iу , cу
Gр+ Gу = Gп
Gс, tн , dн , Iн , cн
Gп , tп , dп , Iп , cп
Мвр
Gн
t н , d н , Iн , c н
Воздухонагреватель
д) Двухвентиляторная схема со смешанной рециркуляцией воздуха
Gу ,tу , dу , Iу , cу
Gр+ Gу = Gп
Gс, tн , dн , Iн , cн
Gп , tп , dп , Iп , cп
Мвр
Gн
t н , d н , Iн , c н
Воздухонагреватель
(1-й подогрев)
Воздухонагреватель
(2-й подогрев)
Рис. 8.2. Варианты центральных установок и схем рециркуляции воздуха
В двухвентиляторных системах потери давления в рециркуляционном воздуховоде преодолевает отдельный вытяжной вентилятор, что обеспечивает устойчивую, хорошо регулируемую рециркуляцию воздуха при любой длине и сечении рециркуляционного воздуховода. За рубежом именно
такие схемы получили самое широкое распространение, так как вытяжной
вентилятор, кроме того, позволяет преодолеть добавочные потери давления в
теплообменнике для утилизации теплоты удаляемого воздуха.
Во всех системах для регулирования степени рециркуляции (доли рециркуляционного воздуха по отношению к общему количеству приточного
воздуха) на рециркуляционном воздуховоде устанавливается регулирующий
клапан.
В некоторых ситуациях при соответствующем обосновании могут
применяться и другие принципиальные схемы систем вентиляции. В частности, за рубежом распространены системы с переменным расходом приточного воздуха, что позволяет вообще отказаться от рециркуляции воздуха в
холодный период, подавая только наружный воздух. Как правило, такие системы используют схему рассредоточенной подачи воздуха в нижнюю зону
помещения, что позволяет избежать перемешивания воздуха по высоте помещения и более эффективно вентилировать нижнюю рабочую зону, где
находятся люди.
8.4. Отображение вентиляционных процессов с рециркуляцией
на I-d диаграмме
Процессы с рециркуляцией воздуха в центральной приточной установке строятся на основе расчетов по холодному периоду. Типовой вид процессов на I-d диаграмме показан ниже на рисунках 8.3 – 8.5.
Построение процесса с рециркуляцией до калорифера выполняют в
следующей последовательности:
а) наносят линии температур приточного, внутреннего и удаляемого
воздуха;
б) строят точку наружного воздуха по его температуре и энтальпии;
в) рассчитывают влагосодержание удаляемого воздуха по формуле
dу = dн + Мw /Gн;
г) строят точку удаляемого воздуха по его температуре и влагосодержанию;
д) рассчитывают температуру точки смеси по формуле
tc = (tн Gн + tн Gн)/ Gc;
е) наносят линию смешивания, соединяя прямой линией точки наружного и удаляемого воздуха;
ж) на линии смешивания строят точку смеси ее температуре;
з) наносят линию подогрева смеси, проводя вертикальную линию из
точки смеси до линии температуры притока, и на пересечении ставят точку
притока;
и) на линии подогрева ставят точку окончания подогрева в калорифере ( на 0,5 – 1° ниже температуры притока);
к) наносят линию луча процесса в помещении, соединяя точку притока и точку удаляемого воздуха;
л) на пересечении луча процесса в помещении с температурой внутреннего воздуха ставят точку внутреннего воздуха.
t оС
εх
Ух
φ = 100%
Вх
tУ
tВ
Пх
Кх
tП
IПх
Сх
tС
IСх
Нх
tНх
dСх = dПх
dУх
d, г/кг
IНх
Рис. 8.3. Вентиляционный процесс с рециркуляцией до калорифера
для холодного периода года
Линия Н–С на рисунке 8.3 отражает изменение параметров наружного
воздуха при смешивании, а линия У–С отражает изменение параметров рециркуляционного воздуха (предполагается, что воздух забирается на рециркуляцию из верхней зоны помещения с параметрами точки У). Линия С–К
отражает изменение параметров смеси при ее нагреве в калорифере (воздухонагревателе). Линия К–П отражает изменение параметров подогретой в калорифере смеси при ее последующем нагреве в вентиляторе и воздуховодах.
Линия П–В отражает условное изменение параметров приточного воздуха
при входе в рабочую зону и ассимиляции избытков теплоты и влаги из рабочей зоны. Линия В–У отражает условное изменение параметров внутреннего
воздуха при его подъеме в верхнюю зону и ассимиляции избытков теплоты и
влаги из верхней зоны.
t оС
εх
Ух
φ = 100%
Вх
tУ
tВ
Пх
Сх
tП
IСх
tС
tК
Кх
Нх
tНх
dСх = dПх
dУх
d, г/кг
IНх
Рис. 8.4. Вентиляционный процесс с рециркуляцией после калорифера
для холодного периода года
Линия Н–К на рисунке 8.4 отражает изменение параметров наружного
воздуха при его нагреве в калорифере. Линия К–С на отражает изменение
параметров подогретого наружного воздуха при смешивании его с рециркуляционным, а линия У–С отражает изменение параметров рециркуляционного воздуха (предполагается, что воздух забирается на рециркуляцию из верхней зоны помещения с параметрами точки У). Линия С–П отражает изменение параметров смеси при ее нагреве в вентиляторе и воздуховодах. Линия
П–В отражает условное изменение параметров приточного воздуха при входе в рабочую зону и ассимиляции избытков теплоты и влаги из рабочей зоны.
Линия В–У отражает условное изменение параметров внутреннего воздуха
при его подъеме в верхнюю зону и ассимиляции избытков теплоты и влаги из
верхней зоны.
Линия Н–К1 на рисунке 8.5 отражает изменение параметров наружного воздуха при его нагреве в калорифере первого подогрева. Линия К1–С отражает изменение параметров подогретого наружного воздуха при смешивании его с рециркуляционным, а линия У–С отражает изменение параметров
рециркуляционного воздуха (предполагается, что воздух забирается на рециркуляцию из верхней зоны помещения с параметрами точки У). Линия С–
К2 отражает изменение параметров смеси при его нагреве в калорифере второго подогрева. Линия К2–П отражает изменение параметров подогретой
смеси при ее нагреве в вентиляторе и воздуховодах. Линия П–В отражает
условное изменение параметров приточного воздуха при входе в рабочую
зону и ассимиляции избытков теплоты и влаги из рабочей зоны. Линия В–У
отражает условное изменение параметров внутреннего воздуха при его подъеме в верхнюю зону и ассимиляции избытков теплоты и влаги из верхней зоны.
Точка С' показывает положение точки смеси на диаграмме в случае
непосредственного смешивания наружного и рециркуляционного воздуха
(рециркуляция до калорифера). Видно, что точка С' лежит ниже кривой
φ =100%, что свидетельствует о перенасыщении воздуха влагой и говорит о
возможности конденсации ее в камере смешивания.
Положительным моментом использования рециркуляции является и
то, что вместе с рециркуляционным воздухом в помещение возвращается некоторое количество влаги, что способствует увеличению влажности внутреннего воздуха. На диаграмме это выражается тем, что точка В смещается
вправо, в сторону более высоких влагосодержаний. Без применения рециркуляции внутренний воздух имел бы крайне низкую влажность, так как
наружный воздух в холодное время имеет очень низкое влагосодержание.
Увлажнение же воздуха другими искусственными средствами приводит к
дополнительным затратам энергии на обработку воздуха, идущих на испарение влаги.
t оС
εх
Ух
φ = 100%
Вх
tУ
tВ
Пх
К2х
tП
IПх
Сх
tС
IСх
С'х
(φ >100%)
IНх
tК1х
К1х
Нх
tНх
dСх = dПх
dУх
d, г/кг
Рис. 8.5. Вентиляционный процесс с рециркуляцией, с 1-м и 2-м подогревом
для холодного периода года