Воздухораспределение в помещениях: классификация систем

Воздухораспределители являются важнейшими элементами систем кондиционирования воздуха и вентиляции. Однако выбор систем воздухораспределения является достаточно сложной задачей и требует знания всех разработок в этой области.

Задача воздухораспределителей состоит в обеспечении равномерного распределения воздуха в помещении с целью:

• ассимиляции тепловой нагрузки, как положительной, так и отрицательной;

• ассимиляции взвешенной в воздухе мельчайшей пыли и удаление ее вытяжной системой;

• поддержания в помещении заданной минимальной неравномерности температуры и скорости движения воздуха (градиента температуры и скорости в пределах установленного диапазона по вертикали и горизонтали).

При проектировании систем воздухораспределения следует учитывать фактические особенности помещения, которые могут влиять на распространение (циркуляцию) воздуха:

• наличие препятствий на пути движения воздушных струй;

• наличие локальных интенсивных тепловых источников;

• изменения температуры и/или расхода воздуха (например, в системах с переменным расходом) в приточных струях, влияющие на их дальнобойность.

При выборе типа и размера воздухораспределителей (ВР) не следует забывать о том, что любой из них является источником шума в обслуживаемом помещении. Уровень шума ВР, выражаемый в Дб(А), составляет обычно от 25 до 35 единиц. В любом случае после монтажа оборудования следует самым тщательным образом измерить фактические параметры создаваемого ВР шума. Кроме того, необходимо также определить параметры потери нагрузки – в зависимости от значений объемного расхода воздуха они варьируются в диапазоне от 5 до 35 Па.

Схемы организации воздухообмена в помещении определяются параметрами системы кондиционирования, аэрогидродинамическими характеристиками приточных и вытяжных устройств, их расположением в обслуживаемом помещении, которое часто обусловлено архитектурными решениями.

Воздухораспределители можно классифицировать по схемам организации воздухообмена, которые в свою очередь делятся на две основные группы: перемешивающие и вытесняющие.

Перемешивающие системы вентиляции

Перемешивающую вентиляцию называют еще «распределением воздуха посредством турбулентного потока». Это наиболее популярная система распределения воздуха. Она организуется при помощи ВР, подающих воздух в помещение воздушными струями, имеющими высокую скорость и турбулентность, вызывающими интенсивную циркуляцию воздуха. В результате происходит перемешивание свежего воздуха приточной струи с воздухом помещения. Если происходит полное перемешивание, на определенном расстоянии от места притока параметры воздуха (температура, относительная влажность, скорость движения), а также содержание загрязняющих веществ будут одинаковыми в любой точке обслуживаемого помещения. Объемный расход приточного воздуха, как правило, невелик по сравнению с общей перемещаемой массой воздуха в помещении. Начальная скорость приточной струи может изменяться в зависимости от конкретных условий в очень широком диапазоне – от 2 до 20 м/с. Разность температур между приточным воздухом и воздухом в помещении также может быть достаточно высокой как в режиме отопления, так и в режиме охлаждения помещения. Температура воздуха будет практически одинаковой там, где обеспечивается достаточно интенсивное перемешивание воздуха, и, напротив, в застойных зонах могут иметь место значительные температурные перепады. Следует отметить, что на наличие и размеры застойных зон, помимо приточных струй, оказывают влияние естественные конвективные потоки, формируемые в конкретном помещении. Формирование конвективных потоков и их характеристик определяется множеством факторов, таких, в частности, как наличие локальных источников тепла, их мощность, размеры и расположение в помещении, теплоизоляция ограждений помещения и т. п. Отметим, что критичными представляются случаи, когда застойные зоны образуются в рабочей (обслуживаемой) зоне помещения; менее критичны ситуации, когда застойные зоны расположены за пределами рабочей зоны, например, в верхней зоне помещения. Наличие в помещении застойных зон, независимо от вида используемого ВР, более неприятно при отопительном режиме работы вентиляции, в силу естественной тенденции нагретого воздуха перемещаться вверх за пределы рабочей зоны.

Размеры застойных зон можно уменьшить путем соответствующего увеличения объемного расхода и скорости приточного воздуха. Эта, на первый взгляд, банальная операция не должна нарушать комфорт пользователей, находящихся на рабочем участке. В этом смысле довольно проблематичным представляется использование перемешивающих систем с напольным распределением воздуха, когда из-за высокой скорости движения воздуха в обслуживаемой зоне могут возникать условия ощутимого дискомфорта. Если же условия комфорта не являются обязательными (например, на участках, где не предусмотрено постоянное присутствие людей), то явление температурного расслоения воздуха по высоте может позволить снизить холодильную нагрузку.

Виды ВР для перемешивающих систем воздухораспределения приведены в табл. 1. Классификация ВР, представленная в табл. 1, не претендует на то, чтобы быть исчерпывающей.

Таблица 1 Виды воздухораспределителей для перемешивающей вентиляции

Вид Подвиды Приточные решетки - для установки в стене или воздуховоде - с одним или двумя рядами лопаток - с неподвижными горизонтальными лопатками Потолочные ВР (плафоны) - многодиффузорные круглые - многодиффузорные квадратные (пря- моугольные) с различными направле- ниями приточных струй (секторные кольцевые, с перфорированной крыш- кой и т. п.) ВР, формирующие быстро затухающие струи - щелевые, устанавливаемые в потолке или стене - квадратные или круглые, устанавли- ваемые в потолке - с регулируемыми элементами (стен- ные, потолочные) - с перфорированной элементами, уста- навливаемые в потолке или стене ВР, формирующие закру- ченные струи - круглые или квадратные с неподвиж- ными или регулируемыми закручивателями - щелевые, устанавливаемые в стене ВР с регулируемой гео- метрией - с регулируемыми лопатками - с неподвижными лопатками и с регули- руемым «цилиндром», двухструйные Сопловые ВР - с шаровой или полусферической камерой - с воздухораздающими элементами-за- кручивателями - с рядом воздухораздающих элементов ВР напольные - круглые, с закрученным воздушным потоком - кресельные - напольные и лестничные решетки

Приточные решетки

Решетки устанавливаются чаще всего в стенах в помещениях, не оборудованных подвесными потолками, либо в случаях, когда приточный воздуховод проложен в коридоре под потолком. У таких ВР имеются один или два независимо регулируемых ряда лопаток либо неподвижные горизонтальные планки.

Решетки могут монтироваться непосредственно на выпускные патрубки открытых круглых воздуховодов. В этих случаях рекомендуется оборудовать насадку регулируемой и/или направляющей заслонкой, позволяющей направить приточный воздух в воздуховоде под углом 90° к ВР.

Решетки имеют невысокую стоимость и не представляют особой сложности в монтаже. Однако имеется ряд ограничений по их применению в помещениях с высокой тепловой нагрузкой и в обеспечении равномерного распределения воздуха по всему помещению. Кроме того, в помещениях определенного класса решетки неуместны по соображениям эстетики.

Монтаж ВР проводится с учетом архитектурных особенностей здания, таких как наличие перегородок, балок, колонн, иных конструктивных элементов. ВР следует по возможности располагать в верхней зоне помещения, если на потолке нет элементов, затрудняющих течение воздуха. Если имеется риск, что на пути воздушного потока будут препятствия в виде балок или иных подобных конструкций, предпочтительней уменьшить уровень расположения ВР, а не направлять приточную струю под углом вниз за счет горизонтальных жалюзи, чтобы избежать чрезмерно высокой скорости поступления воздуха потока в рабочую зону помещения. Обычно решетки изготовлены из крашеного стального листа либо анодированного прессованного алюминия. Лицевой ряд лопаток располагается горизонтально, тогда второй задний ряд лопаток – вертикальные, и наоборот, если лицевые лопатки вертикальные, второй ряд – горизонтальный. Лопатки могут иметь профиль крыла, расстояние между ними от 16 до 25 мм. Дополнительно решетки оснащаются, как правило, регулировочной заслонкой с оппозитными планками параллельно короткой стороне, закрепленными на корпусе. Наиболее ходовые типоразмеры – от 200 х 75 мм до 1 000 х 400 мм, номинальный объемный расход от 100 до 4 000 м³/ч.

Крепление решеток выполняется двумя способами: винтами через отверстия непосредственно в корпусе либо на клипсы-невидимки, под которые, как правило, требуется оборудовать в стене соответствующие гнезда.

Потолочные ВР (плафоны)

Потолочные ВР с радиальным воздушным потоком, формирующие веерные струи, могут быть круглые, квадратные или прямоугольные или линейные. По сравнению с решетками они имеют меньшую дальнобойность и большую интенсивность затухания скорости, что обеспечивает более быстрое выравнивание температуры приточного воздуха и воздуха в помещении. Их отличительные особенности – достаточно большой расход воздуха и возможность обеспечить в рабочей зоне невысокую скорость воздуха (0,13–0,18 м/с), существенный температурный перепад в режиме охлаждения. Если ВР монтируются заподлицо с потолком, возникает эффект настилания (эффект Коанда) приточной струи на потолок.

Многодиффузорные плафоны

Многодиффузорные плафоны состоят, как правило, из ряда концентрических диффузоров (три или более). Если диффузоры неподвижны, формируется горизонтальная веерная струя. Если диффузоры регулируемые и могут перемещаться вертикально, направление истечения приточной струи может изменяться от горизонтального (как правило, когда подается охлажденный воздух) до вертикального (когда подается нагретый воздух).

Имеются модели плафонов с регулируемой по высоте плоской либо перфорированной панелью, установленной поперек потока. В этом случае плафон не имеет концентрических диффузоров.

Плафоны могут устанавливаться непосредственно на открыто проложенные воздуховоды. В этом случае эффект настилания не возникает.

Плафоны изготовлены из листовой стали или алюминия, окраска порошковая электростатическая. Наиболее популярные типоразмеры моделей с регулируемыми диффузорами; диаметр присоединительного патрубка варьируется от 160 до 630 мм; расходом воздуха от 150 до 4 000 м³/ч.

Дальнобойность приточных настильных струй – в пределах от 2,8 до 3,2 м.

У плафонов, установленных на расстоянии от потолка, дальнобойность приточных струй сокращается на 10 % на каждые 0,6 м расстояния между плафоном и потолком; максимальное сокращение дальнобойности может достигать 33 %. Для помещений высотой более 3,2 м дальнобойность приточных струй уменьшается приблизительно на 5 % каждые 0,5 м увеличения высоты, максимум до 25 %.

В случаях, когда требуется установка двух плафонов, подающих воздух в направлении навстречу друг другу, следует предусмотреть, чтобы дальнобойность приточных струй не превышала половину расстояния между ними.

Дополнительное оборудование потолочных плафонов – направляющий аппарат, обеспечивающий направление воздуха в плафон, регулировочная дроссельная заслонка, обеспечивающая возможность регулировать расход воздуха, управляемая с внешней стороны плафона.

Монтаж потолочных плафонов обычно выполняется путем крепления наружными винтами подводящего воздуховода к плафону. Если используются гибкие воздуховоды (то есть не имеющие необходимой жесткости), плафон может крепиться к потолку винтами или с помощью клипс к панелям подвесного потолка. Некоторые новейшие модели плафонов выполняются в виде отдельных ячеек подвесного потолка, навешиваемых к его опорной конструкции.

Эффект Коандаà

Термин «эффект Коанда» используется весьма часто. Явление получило название по имени румынского инженера-изобретателя Анри Коандаà (Henri Coanda), жившего и работавшего в начале XIX века в Париже, одного из пионеров воздухоплавания. Эффектом Коандаà называют стремление потока воздуха, вытекающего из ВР, налипать на подстилающую поверхность, например на потолок. Причиной является зона пониженного давления, образующегося между воздушной струей и потолком, в силу которого воздух притягивается к его поверхности.

Эффект возникает, если верхний край ВР, установленного на стене, расположен на расстоянии менее 300 мм от потолка, или если угол выпуска приточной струи из потолочного плафона не превышает 40°º к линии горизонта при нормальной температуре и скорости истечения воздуха. В остальных случаях струя ведет себя совершенно иначе: стремительно поднимается вверх, если температура приточного воздуха выше температуры воздуха в помещении, или же стремительно падает, если температура приточного воздуха ниже температуры воздуха в помещении. Эффект Коандаà повышает дальность приточных струй примерно на 20 % и предотвращает попадание в рабочую зону помещения холодного воздуха. Для эффекта Коандаà необходимо, чтобы фактическая скорость воздушной струи на выходе из диффузора была выше 2 м/с.

Квадратные или прямоугольные многодиффузорные плафоны

Характеристики ВР данного типа аналогичны характеристикам ВР с концентрическими конусами. Они бывают секторные кольцевые (рис. 1), с перфорированной крышкой, со съемной лицевой панелью. Распределение воздуха может осуществляться в различных направлениях – от 1 до 4 – благодаря специальной конфигурации диффузоров. Модель со съемной панелью переключается из режима охлаждения с горизонтальной подачей воздуха в режим отопления с вертикальной подачей.

Диффузоры делают из листовой стали, окрашенной порошковым способом, или анодированного алюминия. Типоразмеры квадратных секторных кольцевых моделей варьируются от минимального 150 х 150 мм до максимального 600 х 600 мм с объемным расходом воздуха от 100 до 3 600 м³/ч. Прямоугольные модели имеют размеры от 225 х 150 мм до максимального 600 х 450 мм с объемным расходом воздуха от 150 до 2 800 м³/ч.

Функциональные параметры и способ установки аналогичны приведенным для кольцевых моделей. Высота установки варьируется от 2,4 до 3 м. У диффузоров, установленных с линейным перепадом, дальность выброса сокращается на 40 %, а воздушный поток подается под определенным углом к линии горизонта.

Рисунок 1. Квадратный многодиффузорный плафон

Щелевые ВР

Щелевые потолочные ВР обеспечивают хорошее распределение воздуха, особенно вблизи стен, остекленных по периметру, и в силу особенностей дизайна и небольших габаритов легко вписываются в подвесные потолки, не изменяя общий вид помещения. Их отличительная особенность – возможность обеспечивать хорошее распределение воздуха в системах с переменным расходом воздуха.

Щелевые ВР могут иметь одну или несколько приточных щелей, каждая из которых может оснащаться регуляторами направления приточной струи, позволяющими ориентировать ее перпендикулярно вниз либо параллельно потолку. Имеются модели с одной или двумя щелями с несколькими направляющими струи, с независимой регулировкой (длина каждой составляет 150 мм), обеспечивающими переменное распределение воздуха в обе стороны. Функционирование в режиме «направление струи вниз» используется при периметральной установки вблизи оконного остекления, что позволяет минимизировать воздействие солнечного излучения летом и «отрицательную радиацию» в зимний период. Приточные струи, параллельные потолку, настилаются на него, если отклонение от горизонтали не превышает 45°. При больших углах приточные струи опускаются в помещение. Использование в системах распределения воздуха ВР с двумя и более щелями позволяет обслуживать помещения большой площади.

ВР изготавливаются из анодированного прессованного алюминия. Стандартные типоразмеры варьируются от 56 до 260 мм по ширине, максимальная длина одного диффузора составляет 3 000 мм.

Объемный расход воздуха – от 50 до 650 м³/ч на погонный метр.

Дополнительное оборудование – регулировочная дроссельная заслонка и коробка из оцинкованного стального листа с боковым креплением (в том числе с внутренней изоляцией). Имеются также фальш-диффузоры с закрытой задней частью и линейными элементами для забора воздуха.

Высота установки ВР составляет от 2,6 до 4 м.

ВР, формирующие быстро затухающие струи

Суть явления в том, что выходящие из ВР приточные струи воздуха вдоль по направлению движения интенсивно перемешиваются с воздухом помещения. Чем больше объем увлекаемого воздуха, тем эффективней перемешивание и равномернее распределение температуры воздуха, тем выше уровень комфорта в помещении. Бесспорным преимуществом данных ВР можно считать и то, что с их помощью можно подавать холодный приточный воздух, что в свою очередь позволяет сократить размеры воздуховодов.

«Коэффициентом индукции» ВР называют отношение расхода воздуха в струе к расходу приточного воздуха на единицу длины от ВР. Чем выше «коэффициент индукции», тем выше скорость смешивания двух воздушных потоков и равномернее распределение температуры.

Обычные ВР имеют ограниченные значения «коэффициента индукции», и, если при проектировании системы кондиционирования были допущены ошибки, либо если ВР установлены неправильно, холодный воздух плохо перемешиваясь в помещении поступает в рабочую зону, что, естественно, не в лучшую сторону влияет на уровень комфорта.

Для недопущения такого явления разработаны так называемые высокоиндукционные ВР, в основу работы которых положен принцип дробления приточной струи на множество отдельных струй, каждая из которых вовлекает при движении определенную часть воздуха помещения. Отсюда следует, что при равных расходах приточного воздуха высокоиндукционные ВР в состоянии увлечь существенно большую воздушную массу и создать таким образом более высокий эффект перемешивания по сравнению с обычными ВР.

Щелевые потолочные ВР

Щелевые потолочные ВР, формирующие быстро затухающие струи, состоят из алюминиевого воздухораспределительного короба (рис. 2) и перфорированного подающего воздушного патрубка из прессованного алюминия. Подача воздуха в помещение осуществляется в виде множества малых воздушных струй толщиной не более 3 мм в переменных направлениях под углом 45º друг к другу. При этом имеется также небольшая вертикальная струя, ее задача – стабилизировать общие параметры потока и сделать так, чтобы определенный объем приточного воздуха доходил до центра помещения.

Высокий уровень подмешивания (соотношение 1 к 25) и, как следствие, быстрое выравнивание температуры воздуха позволяют существенно снизить зависимость параметров воздуха в помещении от температуры приточного воздуха и высоты помещения. Данный вид ВР обеспечивает высокий комфорт в помещении, поскольку приточный воздух мало турбулентен; при этом температурный перепад между воздухом помещения и приточным составляет до 14 °С. Например, для поддержания в помещении температуры воздуха 26 °С можно использовать приточный воздух, имеющий температуру 12–13 °С, и отказаться от необходимого в таких случаях в летний период второго подогрева.

Рисунок 2. Щелевой ВР, формирующий быстро затухающие струи

ВР отлично подходят для систем с переменным расходом (глубина регулирования до 20 %), поскольку сокращение расхода воздуха не приводит к повышению скорости перемещения воздуха в помещении. При малом расходе угол расширения приточной воздушной струи не меняется, поэтому коэффициент индукции остается неизменным. Приточная струя с квазипостоянным расходом воздуха поступает в рабочую зону под углом 90°, что обеспечивает распределение приточного воздуха непосредственно в обслуживаемой зоне. При этом приточный воздух никак не контактирует с потолком, что предотвращает создание эффекта Коандаà и загрязнение поверхности потолков.

В силу малой ширины ВР (от 15 до 45 мм) их можно устанавливать в подвесных потолках из квадратных плит или гипсокартона практически невидимыми. Объемный расход воздуха – от 20 до 250 м³/ч на погонный метр.

Таким образом, к преимуществам ВР, формирующие быстро затухающие струи, следует отнести превосходное распределение воздуха (и, следовательно, высокий комфорт пользователей), возможность использовать значительный температурный перепад (что сокращает объемный расход и позволяет подавать воздух при температуре 13 °С), а также простоту, с которой они вписываются в окружающий интерьер.

Индивидуальное кондиционирование

Локальное воздухораспределение оказывается востребованным, когда расположение людей, находящихся в помещении, является фиксированным и постоянным во времени. Это, в частности, офисные помещения, конференц-залы, театрально-концертные залы, где местонахождение каждого посетителя определено изначально, и, как следствие, в пределах установленной зоны вентиляцию можно сосредоточить на отдельных участках. Это позволяет сократить затраты на ненужный в этом случае климат-контроль всего обслуживаемого объема. Распределение воздуха можно организовать посредством оборудования, полностью встроенного в мебель или окружающие предметы обстановки, как, например, подкресельные ВР в зрительных залах или линейные ВР или решетки, встроенные в ступеньки лестниц спортивных комплексов.

В более совершенных системах кондиционирования воздуха регулирование параметров воздуха доверено самому пользователю. В таких случаях речь идет об индивидуальной вентиляции. Пользователь регулирует объемный расход воздуха, направление и в некоторых случаях температуру приточного воздуха, создавая таким образом оптимальный для себя микроклимат. Типичным примером таких систем служат вентиляционные сети офисных помещений, где в силу различия, и зачастую весьма существенного, индивидуальных предпочтений, создать комфортные условия для всех без индивидуальной регулировки практически невозможно. На рис. 3 показана вентиляционная система, где напольные ВР сочетаются с ВР, расположенными непосредственно в зоне рабочего места.

Рисунок 3. Офисная система индивидуальной вентиляции

Щелевые ВР, встраиваемые в стены

Щелевые ВР, встраиваемые непосредственно в стены, являются весьма привлекательной альтернативой для организации кондиционирования офисов. Сегодня, чтобы при равной высоте здания увеличить число рабочих этажей, многие офисы проектируются без подвесных потолков. Применение подобных ВР представляет собой достаточно простое решение. ВР может быть приточным или вытяжным, имеющим одну или две щели, и оснащаться выпускными соплами, расположенными в сомкнутый ряд. Элементы ВР изготавливаются из пластмассы и могут вращаться, изменяя угол выпуска воздуха. Имеются также ВР, оборудованные встроенным шумоглушителем (рис. 4). Такие ВР имеют акустическую коробку, которую можно монтировать непосредственно в стену на этапе ее строительства. Коробка имеет муфту, к которой подключается гибкий воздуховод. Со стороны помещения в стене вырезается проем для рамки ВР. По окончании строительства и отделочных работ части ВР соединяются. Использование съемных элементов облегчает уход за конструкцией и отвечает гигиеническим требованиям. Алюминиевые ВР имеют вставки, которые дробят приточную струю на множество мелких потоков. Положение вставок регулируется в зависимости от фактической формы помещения.

ВР позволяют получить поток приточного воздуха без сквозняков в помещениях высотой до 7 м с кратностью воздухообмена 6 ч^-1. Температурный перепад может составлять до 8 °С. К преимуществам данного решения можно отнести экономию подпотолочного пространства, установку ВР в стены и их оборудование шумоглушителями. Встраиваемые в стены линейные ВР особенно эффективны в сочетании с излучающими потолочными системами. Здесь приточный воздух настилается на панель и увеличивает конвективный теплообмен.

Рисунок 4. Принцип работы комбинированного приточно-вытяжного щелевого ВР, встраиваемого в стену

Квадратные и круглые потолочные ВР, формирующие быстро затухающую струи

Данные модификации оснащаются рядом специальных элементов, которые обеспечивают быстрое затухание приточных струй при различных геометрических формах ВР. Типоразмеры варьируются от 300 х 300 мм до 800 х 800 мм. Объемный расход воздуха – до 2 000 м³/ч.

ВР с регулируемыми насадками

ВР с регулируемыми насадками имеют ряд небольших насадок с независимой регулировкой. Такие ВР, устанавливаемые в стенах, прямоугольной формы со стальной выпуклой крышкой, в которой установлены насадки из ABS. Их диаметр – 35 мм. Потолочные круглые ВР для открытого монтажа с насадками из ABS диаметром 57 мм. Обе модификации ВР устанавливаются на изолированный воздуховод, оборудованный приемником давления и регулирующим шибером.

ВР с перфорированной крышкой

Перфорированные ВР (рис. 5), предназначенные для установки в подвесные потолки, имеют настолько малый вес, что не требуют никаких дополнительных подвесных систем. Направление приточной струи – радиально-горизонтальное. В силу этого образующаяся приточная струя препятствует запыленному воздуху помещения соприкасаться с поверхностью ВР, и поэтому он не загрязняется.

Рисунок 5. Стенной ВР с перфорированной крышкой

Существуют ВР, формирующие быстро затухающую струю для установки в верхней части стены. Регулируемые насадки могут поворачиваться на 360° и обеспечивают распределение стабильного высоко-турбулентного воздушного потока в любом направлении. Данный тип ВР разработан специально для использования в сочетании с канальными вентиляционными конвекторами в подвесных потолках и имеет чрезвычайно низкий коэффициент потери нагрузки. Типичный пример их использования – гостиничные номера, где даже при асимметричном относительно комнаты расположении ВР воздух может направляться в самые отдаленные уголки помещения.

 

Продолжение статьи читайте следующем номере журнала «АВОК»

Перепечатано с сокращениями из журнала RCI.

Перевод с итальянского С. Н. Булекова.

Научное редактирование выполнено вице-президентом НП «АВОК» Е. О. Шилькротом и В. Н. Посохиным, заведующим кафедрой ТГВ Казанского государственного архитектурно-строительного университета (КГАСУ)