Сегодня есть попытки расширить применение систем распределения
воздуха от пола. Рекомендуется заменять ими системы распределения
сверху не только в компьютерных и других аналогичных центрах, но и в
административных помещениях. В поддержку таких соображений приводятся
преимущества перемещения воздуха в направлении снизу вверх, а именно:
- направление
движения воздуха в помещении совпадает с направлением конвективных
потоков от людей и тепловыделяющего оборудования;
- концентрация в верхней зоне загрязняющих веществ (углекислый газ, дымовые газы, запахи, органические вещества и пр.);
- большая устойчивость воздушных потоков;
- повышение температуры воздуха в верхней зоне примерно на 2°С по сравнению с расчетной температурой в обслуживаемой зоне.
Для
более полного сравнения двух способов распределения воздуха (сверху или
от пола) в системе кондиционирования воздуха административного здания,
на наш взгляд, следовало бы обратить внимание также на следующие
вопросы:
- величину воздухообмена;
- размеры установок кондиционирования;
- скорость движения воздуха в помещении;
- иные факторы, оказывающие влияние на комфорт;
- типы существующих установок;
- размеры холодильных агрегатов;
- гигиеничность системы;
- закупочная стоимость и расходы по техническому обслуживанию.
Для
сравнения указанных свойств возьмем в качестве примера административное
здание, имеющие характеристики, приведенные в таблице.
Величина воздухообмена
Подача от пола
Для
помещений, где люди находятся более 30 минут (административные
помещения, безусловно, относятся к данной категории), рекомендуется
разность температур "dt" воздуха в обслуживаемой зоне и приточного
воздуха не более 6°С.
Рекомендуется
также, чтобы скорость выпуска воздуха не превышала 1м/с. Больший
показатель "dt" допустим при условии, что между воздухораспределителями
и людьми было расстояние не менее 1,5м.
В
качестве воздухораспределителя используются установленные в полу
круглые диффузоры с радиальными щелями, формирующие закрученную струю
(рис.1). Для нашего случая примем "dt"=6°С при скорости воздуха на
выходе 1м/с.
При распределении
от пола удаление воздуха из верхней зоны помещения может осуществляться
через решетки в подвесном потолке или в стене вблизи потолка. Мы
полагаем, что последний вариант применяется чаще, поскольку (особенно в
зданиях современной постройки) редко встречаются помещения такой
высоты, которые позволяли бы надстраивать полы (на 300-450мм) и
опускать потолки (на 250-350мм). Ведь полезная высота помещения
уменьшалась бы, таким образом, примерно на 1м.
При
подаче воздуха от пола и удалении вверху возможно образование теплой
воздушной "подушки" непосредственно под потолком. Температура такой
"подушки", однако, не должна превышать более чем на 2°С расчетную
температуру в обслуживаемой зоне- тогда люди в помещении не будут
испытывать дискомфорт от идущего сверху излучения.
Если
система обеспечивает в помещении расчетные условия (24°С) и повышение
температуры в его верней зоне, из которой воздух удаляется, выглядит
так, как показано на рис.2, то можно предположить, что примерно 18%
явных тепловыделений могут не учитываться при расчете необходимого
воздухообмена. Для нашего случая объем приточного воздуха определяется
из расчета явных тепловыделений 900Вт.
Следующее уравнение, если принять "dt"=6°С, дает расход приточного воздуха:
[900/1,2x6]=125л/с
(450 м³/ч). (1)
Если
для каждого воздухораспределителя принять средний расход 11л/с, нам
потребуются примерно двенадцать единиц, то есть чуть меньше, чем один
диффузор на каждый квадратный метр площади помещения.
В
силу того, что в комнатах расставлены письменные столы и иная
конторская мебель, разместить их достаточно равномерно вряд ли удастся.
Подача сверху
Подача
сверху также позволяет организовать удаление в верхней части (через
подвесной потолок, например). Главное, чтобы использовались
воздухораспределители, формирующие быстро затухающие струи. В этом
случае уменьшение расчетных явных тепловыделений, обусловленное, в
основном, системой освещения, можно оценивать как равное или большее по
сравнению с тем, что получается при подаче воздуха снизу и удалении
через осветительную аппаратуру.
Тем
не менее, при распределении сверху имеется еще один фактор,
способствующий дальнейшему уменьшению расчетных явных тепловыделений в
помещении, — это тепловая инерция пола.
Солнечное
излучение, попадающее в помещение через остекление, и излучение
осветительной аппаратуры (рис.3) частично поглощаются и накапливаются
на полу. Накопленное тепло возвращается затем в помещение с опозданием
в несколько часов . В конечном счете, при подаче сверху явные
тепловыделения от солнечной радиации в часы максимальной нагрузки
сокращаются на 25-30%.
При
распределении от пола такого накопления не происходит, как не
происходит в часы пиковой нагрузки сокращения нагрузки от солнечной
радиации.
Кроме того, при
распределении воздуха сверху допустимая разность температур "dt" 12°С
или выше. При одном таком показателе "dt" для той же явной нагрузки
сокращается наполовину или даже больше объемы воздуха, требующиеся для
ассимиляции явного тепла.
Скорость движения воздуха в помещении
Среди
различных факторов, влияющих на создание комфортных условий, следует
отметить среднюю скорость, с которой воздух движется в помещении.
Теперь уже достоверно известно (и считается приемлемым), что для людей,
занятых сидячей работой, скорость движения воздуха в помещении должна
составлять около 0,15м/с и быть не ниже 0,10м/с. Соблюдение этих
значений при прочих равных условиях необходимо для обеспечения
наилучшего теплообмена между телом человека и средой помещения и
повышает комфорт в летний период.
В
рассматриваемом примере, когда площадь комнаты составляет 15м², чтобы
получить среднюю скорость 0,15м/с, объем движущегося воздуха
(первичного и вторичного) должен составлять значение Q, определяемое
следующим образом:
Q=[1 000x5x0,15]=2 250 л/с
(8 100 м³/ч). (2)
В
силу принципа сохранения количества движения, если обозначить М1 и V1
объем и скорость приточного воздуха, то следующим уравнением мы
определим, до какого уровня должна уменьшиться скорость воздуха (V2),
чтобы в помещении передвигалась воздушная масса М3, которая в нашем
примере равна 2250л/с (значение, полученное уравнением (2), равное
сумме масс первичного и вторичного воздуха):
M1хV1=M3xV2. (3)
Подставив известные значения, мы будем иметь:
125х1=2 250хV2,
откуда получаем:
V2=0,05 м/с,
что значительно ниже установленного минимума.
Если
при объеме поступающего первичного воздуха (М1=125л/с) мы хотим, чтобы
воздушная масса в помещении М3 (2250л/с) двигалась со скоростью
0,15м/с, то скорость первичного воздуха на выходе из
воздухораспределителя должна быть не ниже 2,7м/с- а такая скорость
слишком высока для данного типа воздухораспределителей.
На
практике сокращенная индукция первичного воздуха, обусловленная его
низкой скоростью, дает основание подозревать, что приточный воздух с
трудом будет подниматься к вытяжным решеткам, образуя идеальные
"столбы", суженные книзу, которые никак не перемешивают окружающий
воздух и формируют участки застойного воздуха.
Другие условия комфорта
В
летний период среди прочих параметров комфорта особое значение
приобретает вертикальный температурный "градиент". При распределении от
пола температура растет снизу вверх, а при поступлении сверху
образуются нисходящий поток воздуха и температурный градиент, который
на уровне ног создает температуру слегка выше, чем на уровне тела.
Другими словами, при подаче сверху мы имеем "ноги в тепле, а голову в
холоде", что повышает комфорт.
Распределение от пола создает противоположный тепловой градиент, и с этой точки зрения комфорт не повышается.
Виды систем
Приточные
установки, используемые для распределения сверху, могут также
применяться в системах распределения от пола. В любом случае, при таком
распределении для того, чтобы ограничить "dt" воздуха помещения и
приточного воздуха, чаще всего применяется калорифер второго подогрева.
Гораздо реже (можно сказать, чрезвычайно редко) используется система с
рециркуляцией воздуха.
Система со вторым подогревом
Чаще
всего- в силу простоты конструкции- используется калорифер второго
подогрева, расположенной после блока охлаждения (рис.5).
В
рассматриваемом примере при желании обеспечить температуру 24°С с 50%
относительной влажностью, на основании соотношения между явным теплом и
общей нагрузкой помещения, смесь наружного воздуха и воздуха
рециркуляции должна охлаждаться примерно до 13°С с удельной влажностью
9гр/кг (точка С на рис.6). В течение всего периода, когда система
работает на охлаждение, точка С, которая представляет воздух после
охладителя, не изменяется.
Обычно
скрытая нагрузка остается постоянной, а расход воздуха в л/с (450м³/ч),
определяемый уравнением (1), будет в состоянии ассимилировать
влаговыделения с разницей 0,3гр/кг. В часы максимальной нагрузки для
компенсации явных тепловыделений при соблюдении предельной разности
температур 6°С, установленных для "dt", воздух должен пройти
последующий нагрев до 18°С. Таким образом, мощность калорифера второго
подогрева составит:
[125x1,2x(18-13)]=750кВт.
Существует
вариант, более выгодный с точки зрения экономии энергоресурсов,-
использование рекуперированного теплообменника. Тогда мощность по
холоду для компенсации явных тепловыделений в помещении будет равна не
900Вт (выражение 1), а уже 1650 (750+900)Вт, то есть на 83% больше
явных тепловыделений.
При
сокращенных нагрузках, например, когда нет тепловыделений от
оборудования и солнечной радиации (530Вт), чтобы ассимилировать явные
тепловыделения (900-530Вт), приточный воздух должен иметь температуру
около 21,5°С.
В таких условиях
охладитель будет давать 1650Вт (примерно в 4,5раза больше значения
ощущаемой нагрузки помещения), а второй подогрев должен будет
обеспечивать около 1280Вт, то есть в 3,5 раза больше явных
тепловыделений в помещении.
Система с байпасом, используемым в утилизаторе
Система,
в которой предусмотрен байпас воздуха, направляемого в утилизатор,
аналогична показанной на рис.7, представляет собой интересное в плане
энергосбережения техническое решение, поскольку позволяет регулировать
температуру приточного воздуха без применения второго подогрева.
Здесь
необходимо достаточно точно рассчитать объемы воздуха, направляемого в
рекуператор и поступающего в охладитель, с учетом потребностей
обслуживаемого помещения.
Мощность охладителя не будет постоянной, а будет сокращаться по мере уменьшения явных тепловыделений в помещении.
Излишне
напоминать, что установка с байпасом не может использоваться в
ситуации, когда для системы требуется один только наружный воздух.
Размеры системы кондиционирования
При
распределении от пола, если используется устройство второго подогрева,
оно должно иметь поперечное сечение по меньше мере в два раза больше,
чем обычно требуется при распределении сверху.
Используя установку с байпасом, в два раза большее
сечение должен иметь только вентиляционный контур. В обеих системах чем
больше используемые вентилятор и его двигатель, тем больше должно быть
сечение приточных и вытяжных воздушных каналов.
Размеры холодильного агрегата
На
аналогичных установках при распределении от пола холодильный агрегат не
может быть меньше, чем применяемый при распределении сверху.
Кроме
прочего, в первом случае не происходит накопление теплоты в структуре
пола, то есть теплоты, которая уменьшает показатель максимальной
тепловой нагрузки.
При
аналогичных проектных условиях повышение температуры отводимого
воздуха, обусловленное ростом температуры воздуха в помещении в
непосредственной близости от потолка, независимо от того, что такое
повышение можно получить также подачей и отводом воздуха сверху,
позволяет сократить мощность узла обработки воздуха, но не размеры
холодильного агрегата. Повышение температуры отводимого воздуха и
температуры на мокром термометре смеси наружного и вытяжного воздуха
может, безусловно, повысить КПД компрессора, но не может в значительной
степени влиять на размеры агрегата.
Данные
утверждения действительны, когда система обеспечивает рекуперацию тепла
удаляемого воздуха и может использоваться обрабатывающий узел с
байпасом рекуперированного воздуха. В системе, которая работает
полностью на наружном воздухе либо оснащена калорифером второго
подогрева, распределение воздуха от пола в силу сокращенного "dt"
требует, как правило, наличия холодильного агрегата, имеющего мощность
вдвое большую по сравнению с мощностью, требуемой при распределении
сверху.
Гигиеничность
В
предыдущих разделах мы изложили причины, по которым можно рекомендовать
распределение воздуха от пола, среди них- улучшение качества
получаемого воздуха в силу того, что в этом случае различные
загрязняющие вещества скапливаются вверху. Мы не намереваемся ставить
под сомнение исследования уровня концентрации загрязняющих веществ и
тот факт, что при распределении от пола такая концентрация сокращается
в среднем на 20-25%.
Однако мы
считаем, что суть проблемы загрязнения и определения его показателей
может меняться от помещения к помещению в зависимости от вида
деятельности учреждения, особенностей материалов, использованных для
строительства здания (материалы полов, стен, лакокрасочные покрытия и
пр.), и даже имеющейся мебели и оборудования.
Вряд
ли можно спорить, к примеру, с тем, что в административном помещении,
то есть там, где активно перемещается некоторое количество сотрудников,
на ногах которых имеется обувь, "загрязненная" внешней средой
(предположим, на улице дождь), при распределении от пола загрязняющие
элементы, принесенные с улицы, вместо того чтобы остаться на полу,
пойдут в обращение и будут ухудшать качество воздуха в помещении.
Если
к тому же предположить, что в ходе обычной уборки помещения и обычного
мытья полов загрязняющие элементы будут осаждаться внутри диффузоров,
образуя отличную питательную среду для микробов, спор, бактерий и пр.,
то гигиеничность системы вообще ставится под большое сомнение.
Закупочная стоимость и эксплуатационные расходы
Мы
не станем проводить детальных сравнений и отрицать известную гибкость
системы распределения от пола (уменьшение будущих расходов на
переустройство), позволяющей изменять способ распределения путем всего
лишь замены расположения панелей, на которых установлены
воздухораспределители. Однако, нам представляется, что с учетом
описанных выше обстоятельств (большие объемы перемещаемого воздуха,
большее число воздухораспределителей, более громоздкие холодильные
агрегаты и обрабатывающие узлы, увеличенные сечения подающих и
отводящих воздуховодов, дополнительные расходы на надстройку полов)
закупочная стоимость и особенно эксплуатационные расходы будут выше,
чем аналогичные показатели системы распределения воздуха сверху.
