Данная статья посвящена практическому применению результатов RASтестов для регулирования и эксплуатации UFADсистем вентиляции с постоянным (CAV) и переменным (VAV) расходом приточного воздуха. Более подробно схема и режимы испытательной камеры проанализированы на врезке «Устройство испытательной камеры» на с. 45.

Теория стратификации
Теоретически функционирование UFADсистем описывается теми же аэродинамическими законами, которые используются для DVсистем. При работе вытесняющей вентиляции прохладный приточный воздух подогревается по мере движения над полом, а затем уносится вверх восходящими конвективными потоками, возникающими над нагретыми поверхностями. При этом формируется уровень стратификации, который делит помещение на две зоны, верхнюю и нижнюю, с различными условиями воздушной среды. В нижней зоне, находящейся в вытесняющем потоке под уровнем стратификации, рециркуляция отсутствует. Верхняя зона, над уровнем стратификации, характеризуется наличием рециркуляционных потоков, обеспечивающих интенсивное перемешивание воздуха. Высота уровня стратификации зависит главным образом от соотношения величины воздухообмена в помещении и мощности источников тепла.

В UFADсистемах использование воздухораспределителей с приточными струями, обладающими энергетическим импульсом, создает иную картину воздушных течений в нижней зоне, увеличивая степень перемешивания и изменяя профиль температур. Если дальнобойность приточной струи сопоставима с высотой уровня стратификации или превышает ее, струя проникает в верхнюю зону теплого воздуха, способствуя перемещению его вниз [3]. Количество перемещенного воздуха определяет изменение температуры воздуха в нижней зоне. Степень перемешивания нижней зоны оказывает влияние на общий градиент температуры в помещении. При ограничении дальнобойности приточных струй и степени перемешивания эксплуатационные показатели UFADсистем приближаются к DVсистемам. Значительная дальнобойность приточных струй и проникновение их в верхнюю зону способствуют повышению температуры в нижней зоне и уменьшению градиента, остальные параметры остаются без изменений.

Воздухообмен в помещении
На 2 показано влияние удельного воздухообмена в помещении (общий объем приточного воздуха, отнесенный к площади помещения/зоны) на стратификацию для ВР с закрученными струями в режиме номинальных теплопоступлений (теплопоступления от всех источников, включая 100 % нагрузки от освещения), составляющих 56 Вт/м2, при температуре приточного воздуха 18 °C, величине удельного воздухообмена 5,1, 3,0 и 1,5 л/с на м2 (описание условий эксперимента приведено в [2]). График на 2 демонстрирует увеличение интенсивности стратификации (неравномерности температуры воздуха м. зонами) при уменьшении воздухообмена, в условиях постоянной тепловой нагрузки. Хотя градиент температуры в обслуживаемой зоне (OZ), т. е. в пределах от 0,1 до 1,7 м, изменялся от 0,8 до 3,8 °C, изменение средней температуры рабочей зоны составило всего 1,4 °C. Подобные же результаты были получены для периметральных зон. Другие результаты [2] показывают, что изменение температуры приточного воздуха (при постоянных теплоизбытках и воздухообмене) не изменяет форму профиля температур по высоте помещения, а лишь сдвигает его в область более высоких или низких температур.

Сравнение ВР – внутренняя зона
Представленные результаты ( показывают профили температуры для имитируемой внутренней зоны помещений при средней температуре воздуха обслуживаемой зоны (TOZ,AVG) в пределах 22–23 °C и различных значениях тепловой нагрузки, величины воздухообмена, производительности ВР (представленной как % от номинальной) и температуры приточного воздуха, которые приведены в таблице. Тепловая нагрузка определена как результирующая для всей зоны, т. е. алгебраическая сумма теплопоступлений и трансмиссионных теплопотерь помещения. Тепловая нагрузка измерялась в установившемся режиме путем измерения расхода вентиляционного воздуха и перепада температур на притоке (SAT) и вытяжке (RAT): DTTOT = (RAT) (SAT). В условия эксперимента не входило термостатическое регулирование, поэтому реакция системы на изменение параметров была естественной.

Эксплуатационные характеристики ВР оценивались по средней температуре и градиенту температуры воздуха обслуживаемой зоны. Чтобы обеспечить принцип. возможность сравнения, был введен такой показатель, как разность средней температуры обслуживаемой зоны и приточного воздуха. Далее этот показатель используется под названием «средний перепад температур для обслуживаемой зоны» DTOZ. Этот показатель позволяет производить сравнение вариантов при различных температурах приточного воздуха. Градиент температур в рабочей зоне (OZ) определяется как разность температур по высоте фигуры человека – на уровне головы (1,7 м) и на уровне ног (0,1 м).

Был проведен ряд опытов для исследования влияния производительности ВР на параметры воздуха во внутренней зоне. В ходе испытаний изменялось число ВР при постоянной тепловой нагрузке помещения и величине общего воздухообмена. На 3 и в таблице представлены результаты опытов для пяти режимов: два типа ВР, каждый тип работал в двух режимах по производительности, пятый режим – воздухораспределители VAтипа при том же соотношении воздухообмена и тепловой нагрузки, что и SWтип с 40%й производительностью. Градиент температур для вихревых воздухораспределителей оказался больше, чем для VAтипа (тесты VA1 и VA изза снижения воздухообмена по отношению к тепловой нагрузке (что привело к увеличению значений DTTOT).

Когда производительность воздухораспределителей VAтипа изменялась от 70 до 30 % от номинальной (тесты VA1 и VA , градиент и средний перепад температур для обслуживаемой зоны (OZ и DTOZ) изменились только на 0,1 °C каждый. Когда производительность вихревых ВР изменялась от 90 до 40 % (тесты SW1 и SW , значение DTOZ уменьшалось на 0,4 °C, а градиент по обслуживаемой зоне увеличился на 2 °C и достиг величины 3,8 °C, что на 1 °C выше значения, допускаемого ASHRAE [4]. Как и ожидалось, сравнение тестов VA3 c VA1 и VA2 показало, что форма профиля температур менее чувствительна к изменению производительности, чем в случае применения вихревых воздухораспределителей.

Для спр в таблице приведена также дальнобойность приточных струй ВР, взятая из паспортных данных поставщиков. Воздухораспределители VAтипа при раскрытом положении приточных решеток образуют четыре воздушные струи, направленные под углом 30о к вертикали, как распространение струи от воздухораспределителей SWтипа ближе к вертикальному направлению. Хотя значения скорости воздуха сильно различаются в зависимости от направления, в условиях экспериментов дальнобойность струй в вертикальном направлении была в диапазоне 1,8–2 м. Подразумевается, что при дросселировании приточного сечения дальнобойность не изменяется. Хотя здесь это не показано, но следует отметить, что «чистая зона» для воздухораспределителей VAтипа при раскрытом положении решетки значительно больше, чем для SWтипа. У вихревых воздухораспределителей вертикальная дальнобойность струи сильно зависит от расхода воздуха, изменяясь от 0,6 м при расходе 40 % от расчетного до 1,2 м при расходе 90 % от расчетного. Эти данные показывают, что дальнобойность приточных струй может быть соотнесена с DTOZ и градиентом температуры по высоте обслуживаемой зоны, однако, должна оцениваться относительно DTTOT (т. е. соотношения тепловой нагрузки и воздухообмена в помещении) и других аспектов взаимодействия восходящих конвективных потоков и приточных струй (как упоминалось в теоретическом разделе).

Сравнение тестов VA1 и VA2 с VA3 демонстрирует, что с увеличением DTTOT градиент температуры по высоте обслуживаемой зоны OZ также увеличивается. Сравнение опытов с VA3 и SW1 при практически одинаковых значениях DTTOT демонстрирует, что перемешивание в нижней зоне происходит одинаково, так как градиенты фактически равны, но в нижнюю зону воздухораспределители VAтипа вносят больше теплого воздуха, что выражается увеличением DTOZ на 0,9 °C. Сравнивая незначительное возрастание DTOZ и большое различие в дальнобойности приточных струй для этих двух опытов, можно предположить, что дальнобойность приточной струи в рассматриваемых условиях не оказывает влияния на температуру в обслуживаемой зоне. Сравнение опытов SW1 и SW2 демонстрирует, что при малой производительности ВР градиент температуры в обслуживаемой зоне сильно возрастает, так как перемешивание происходит в ограниченной области у пола. Дополнительный анализ экспериментальных данных для вихревых ВР (здесь не приводится) демонстрирует, что типичный диапазон изменения градиента по обслуживаемой зоне составляет 1–2 °C при снижении воздухопроизводительности от 90 до 40 % от номинальной.

В то время как тепловая нагрузка и общий воздухообмен оказывают основное влияние на температуру в обслуживаемой зоне, влияние типов и рабочих характеристик ВР является второстепенным.

Результаты испытаний в целом позволяют предположить, что комфорт в помещении зависит от взаимодействия тепловой нагрузки, общего воздухообмена и производительности ВР. Конкретное сочетание этих факторов на практике выявляет качественное различие м. типами ВР. Например, выяснилось, что вихревые ВР чувствительны к изменению производительности. При ее уменьшении и заданной тепловой нагрузке и общем воздухообмене, градиент температуры в обслуживаемой зоне увеличивается, а температура в обслуживаемой зоне снижается, что позволяет уменьшить воздухообмен. Градиенты температуры могут выходить далеко за пределы значений, рекомендованных ASHRAE [4] для теплонапряженных помещений.

При отсутствии тепловой нагрузки от освещения и постоянном воздухообмене (система вентиляции типа CAV) влияние этого фактора будет не столь значительным, так как ассимиляционный перепад температур DTTOT снизится и, соответственно, уменьшится градиент температуры в обслуживаемой зоне до допустимых значений.

Анализ данных опытов для типичных условий (DTTOT=~8 °C, SAT=~17 °C, TOZ,AVG=~23 °C) демонстрирует, что при равенстве градиентов в обслуживаемой зоне средняя температура TOZ,AVG при использовании воздухораспределителей VAтипа выше, чем при использовании SWтипа, на величину, составляющую 8 % от DTTOT. Однако, как было показано выше, благодаря чувствительности вихревых ВР к изменению расхода воздуха на практике при малой производительности градиенты температуры для SWтипа могут на 1–2 °C превышать градиенты, формируемые воздухораспределителями VAтипа.

Сравнение ВР – периметральная зона
На 4 показаны результаты испытаний для периметральной зоны при пиковой тепловой нагрузке и закрытых жалюзи. Градиент температур в верхней зоне больше, чем во внутренней зоне помещения, что является результатом большей тепловой нагрузки и, в частности, интенсивных восходящих конвективных потоков вблизи окон [3]. Приведенные в таблице результаты испытаний аналогичны результатам для внутренней зоны, а именно – воздухораспределители VAтипа формируют более высокую (на 0,3 °C) температуру рабочей зоны и более низкий (на 2,8 °C) градиент, чем воздухораспределители SWтипа.

Хотя для условий, в которых производилось тестирование воздухораспределителей, обнаружено различие средней температуры и градиента в обслуживаемой зоне, различия эти относительно невелики, что позволяет предположить, что при нормальной эксплуатации сбалансированных систем не будет различий в теплоощущении человека. Несмотря на различную дальнобойность струй, результаты испытаний показывают, что при постоянной величине воздухообмена в помещении комфортные условия будут также одинаковыми.

Регулирование систем вентиляции
Системы вентиляции с постоянным расходом воздуха (CAVсистемы)
Во множественных проектах CAVсистемы используются для внутренней зоны помещений, а иногда и для периметральной. Обычно CAVсистемы регулируются путем изменения температуры приточного воздуха по сигналу комнатных термостатов. Даже при высоком качестве проекта, предусматривающим принцип. возможность стратификации при пиковых тепловых нагрузках, этот способ регулирования может вызвать отклонение температуры рабочей зоны от расчетной при изменении нагрузки. В зависимости от пиковых значений градиента средняя температура рабочей зоны может быть на несколько градусов ниже, чем установка термостата. (Поэтому термостат следует настраивать на 1–2 °C выше требуемой температуры рабочей зоны.) При небольших нагрузках эти температуры будут сближаться, т. е. температурный профиль станет более вертикальным (меньшая степень неравномерности) при сохранении постоянного воздухообмена. Изменение температуры приточного воздуха не повлияет на форму профиля температур, а лишь сдвинет его в ту или другую сторону [2].

По мере снижения тепловой нагрузки вентиляция помещений становится избыточной, иногда это приводит к выравниванию температур (отсутствию стратификации). Если воздухообмен изначально завышен, в рабочем режиме стратификация ниразу не возникнет, что характерно для множества работающих систем.

Во множественных проектах CAVсистемы используются для вентиляции больших внутренних зон с избыточным давлением, откуда вентиляционный воздух «выдавливается» в периметральную зону. Кроме того, натурные обследования показывают, что во множественных CAVсистемах для внутренних зон используются вихревые воздухораспределители с расходом 42–47 л/с, привязанные к одному рабочему месту (5–9 м2). Если это не было согласовано с фактическими тепловыми нагрузками и воздухообмен не был сбалансирован по зонам, объем приточного воздуха может оказаться избыточным. В этом случае повышается температура приточного воздуха, что до некоторой степени затрудняет ассимиляцию теплоизбытков в периметральной зоне. С другой стороны, если система вентиляции сбалансирована, например путем снижения скорости вращения приточного вентилятора что при полной тепловой нагрузке в помещении создается стратификация, а вихревые ВР работают на неполной производительности, то это будет способствовать увеличению градиента температуры по рабочей зоне. Очевидно, следует искать компромисс м. указанным увеличением градиента и избыточной вентиляцией. Поэтому для систем вентиляции с постоянным расходом  желательно по возможности подбирать вихревые ВР на режим, близкий к номинальному, уменьшая их количество или выбирая меньший типоразмер.

Системы вентиляции с переменным расходом воздуха (VAVсистемы)
В системах вентиляции типа VAV изменение тепловой нагрузки сопровождается изменением расхода приточного воздуха и производительности ВР. Сравнительные испытания ВР для периметральных зон не проводились, предполагалось, что их работа будет аналогичной работе во внутренней зоне. Мы ожидали, что профили температур, формируемые ВР разного типа, по крайней мере при небольшом снижении производительности, окажутся устойчивыми и подобными друг другу. но вихревые ВР при низких нагрузках создают больший градиент температуры по обслуживаемой зоне изза того, что они более чувствительны к изменению производительности. Для сравнения двух типов ВР во всем диапазоне изменения тепловой нагрузки в системах вентиляции типа CAV и VAV необходимо провести дополнительные испытания.

Для VAVсистем поддержание комфортных условий в обслуживаемой зоне возможно путем использования одного комнатного термостата, если профиль температур в помещении при снижении тепловой нагрузки сохраняется относительно постоянным. но можно рекомендовать и более сложную схему регулирования, учитывающую как среднюю температуру, так и градиент по рабочей зоне.

Определение производительности UFADсистем вентиляции

Предварительные результаты данных испытаний [2] показывают, что для UFADсистем вентиляции с размещением приточных воздуховодов «под полом» или «под потолком» распределение нагрузок по зонам существенно различается под влиянием следующих факторов:

Теплообмен пола. Передача тепла через пол является существенным фактором, отличающим UFADсистемы. Изменение тепловой нагрузки под влиянием указанного явления составляет от 6,4 до 12,9 Вт/м Это снижает требуемый воздухообмен для обслуживаемой зоны, но не полную нагрузку на систему вентиляции, т. к. тепло через пол попадает в приточный воздух.

Температура приточного воздуха. Увеличение этого параметра для заданных комфортных условий приводит к увеличению воздухообмена и, соответственно, потребления энергии вентилятором. Это особенно важно в периметральной зоне, где происходит снижение теплоассимиляционного потенциала изза попутного прогрева приточного воздуха при непосредственном контакте с нагретыми вблизи окон строительными конструкциями, что выражается в увеличении температуры приточного воздуха.

Стратификация. Если стратификация температуры воздуха в помещении предусмотрена проектом и реализуется при эксплуатации системы – это надежный способ снижения требуемого воздухообмена. но степень стратификации должна согласовываться с требованиями теплового комфорта.

Если учитывать все перечисленные факторы, различие в расходе воздуха м. UFADсистемами вентиляции с размещением приточных воздуховодов «под полом» и «под потолком» может стать значительным. Точное определение этой величины возможно лишь путем построения детализированных расчетных моделей UFADсистем с помощью специальных средств. Оценка, выполненная по результатам настоящих исследований, демонстрирует, что разница в воздухообмене для периметральной зоны при использовании UFADсистем, в зависимости от условий эксплуатации, составляет от 25 до +15 % при одной и той же тепловой нагрузке. Указанная величина свидетельствует о том, что как проектные решения, так и режим эксплуатации являются существенными факторами для определения производительности систем вентиляции.

Выводы
В настоящей аналитической статье обсуждаются последние результаты экспериментальных исследований UFADсистем вентиляции. В ходе исследований сравнивалось влияние двух типов воздухораспределителей, размещаемых в полу, на эффективность вентиляции во внутренней и периметральной зонах помещения. Основные выводы по результатам испытаний приведены на врезке «Управление стратификацией».

Результаты продолжающихся испытаний UFADсистем показывают, что для полной реализации преимуществ технологии, основанной на эффекте стратификации, необходимо подробно исследовать ряд вопросов, связанных с указанным явлением. Дополнительная информация по этой исследовательской программе также опубликована [6, 7].

В дальнейшем планируется изучить следующие вопросы: работа систем вентиляции с постоянным (CAV) и переменным (VAV) расходом приточного воздуха на неполной нагрузке, сравнение воздухообмена в системах типа UFAD и VAVпотолочной, исследование плинтусных приточных решеток (обычно используемых в периметральной зоне) и более подробный анализ теплового комфорта и регулирования систем.

Литература
Nielsen P. V. Displacement Ventilation – Theory and Design. Department of Building Technology and Structural Engineering. Aalborg University. 1996.
Webster T. L., Bauman F. S., Reese J., Shi M. Thermal stratification performance of underfloor air distribution (UFAD) systems.
Linden P. Personal Communication. University of California. San Diego. Department of Mechanical and Aerospace Engineering. 2001.
ANSI/ASHRAE Standard 55199 Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy.
Webster T. L., Ring E., Bauman F. Supply fun energy use in pressurized underfloor air distribution systems. Center for the Built Environment. University of California. April 2000.
Bauman F., Webster T. Outlook for underfloor air distribution // ASHRAE Journal. 2001, № 43( . С. 18–27.
Bauman F., Powell K., Bannon R., Lee A., Webster T. Underfloor Air Technology. Center for the Built Environment. University of California. 200 Website: www.cbe.berkley.edu/underfloorair.
Комментарий к статьям «Системы вентиляции с воздухораспределителями в полу / Опыт применения» и «Системы вентиляции с воздухораспределителями в полу / Температурная стратификация»

Системы вытесняющей вентиляции продолжают интересовать специалистов отрасли у нас в стране и за рубежом. Этот интерес определяется двумя причинами: одна из них – определенная «нетрадиционность» методов их расчета; вторая причина состоит в том, что область применения этих систем, методы проектирования и регулирования до настоящего времени четко не определены.

Появившийся в последнее время в журнале «» ряд статей зарубежных авторов по этой теме, как и две статьи в настоящем номере, все же не дают исчерпывающего ответа на многие вопросы. В частности, остается неясным, как разместить воздухораспределители в полу, чтобы обеспечить соблюдение нормативных требований по скорости движения воздуха в обслуживаемой зоне, как разделить тепловыделения в помещении по зонам, по какому критерию (уровню стратификации или среднему значению температуры и градиенту температуры воздуха в обслуживаемой зоне) определить расход и температуру приточного воздуха и т. п.

Вместе с тем принципы расчета систем вентиляции помещений с избыточными тепло и газовыделениями и подачей приточного воздуха в нижнюю зону помещения достаточно подробно представлены в отечественной литературе.

Явление температурной стратификации, «температурное перекрытие и тепловая подушка» в вентилируемом помещении подробно представлены в работах А. Н. Селиверстова, Е. В. Кудрявцева, В. В. Батурина, И. А. Шепелева.

Метод позонных тепловых балансов, позволяющий разделить тепловыделения от источников в помещении по зонам, рассчитать теплообмен в помещении с учетом взаимного влияния зон друг на друга, предложен В. Н. Богословским, И. А. Шепелевым, Е. О. Шилькротом.

Что касается области применения систем вытесняющей вентиляции, то это, конечно, в первую очередь производственные здания с избыточными тепло, газовыделениями. Частным случаем применения данных систем является аэрация горячих цехов, широко применявшаяся до последних лет для вентиляции металлургических производств, предприятий тяжелого машиностроения, тепловых электростанций и т. п. Система вентиляции Большого зала Московской консерватории (проект 1901 года) также организована по этому принципу.

С помощью систем вытесняющей вентиляции с успехом может осуществляться вентиляция залов различного назначения, холлов и т. п. Что касается офисных помещений, то выбор м. данными и традиционными системами должен быть щепетильно обоснован с учетом объемнопланировочных и конструктивных решений здания, требований к микроклимату, например с учетом «возраста воздуха» в помещении и экономических факторов.