В этом номере мы публикуем разделы «Показатели эфф. систем вентиляции» и «Измерения эфф. систем вентиляции». Остальные разделы Руководства по проектированию эффективной вентиляции будут напечатаны в следующем номере нашего журнала.

Показатели эфф. систем вентиляции
Краткое содержание
В этом разделе представлены основные показатели эфф. систем вентиляции, используемые для оценки систем вентиляции. Обсуждаются следующие вопросы:

показатели эфф. воздухообмена;

показатели эфф. удаления загрязняющих веществ;

концепция «возраста» воздуха в помещении;

измерение «возраста» воздуха.

Введение
базовой целью цикла вентиляции является повышение качества внутреннего воздуха путем замены воздуха в помещении. Кроме того, цикл вентиляции часто используется для поддержания определенной температуры в зоне обслуживания. На эти параметры оказывает воздействие не только расход вентиляционного воздуха, но и в большой степени структура потока воздуха в помещении. Влияние структуры потока воздуха на качество воздуха обсуждается во множественных работах, например: Ридберг и Кульмар (Rydberg and Kulmar, 194 , Лидвел (Lidwell, 196 . Влияние структуры потока воздуха на распределение температуры анализируется Штраубом (Straub, 196 . Обеспечение необходимого расхода кондиционированного воздуха и эффективное распределение воздуха в вентилируемом помещении являются существенными требованиями для создания комфортных условий, удаления загрязняющих веществ и сокращения первоначальной стоимости и эксплуатационных расходов системы кондиционирования воздуха и вентиляции.

Степень выполнения системой вентиляции предъявляемых к ней требований анализируется в литературе на основе множественных показателей. В начале восьмидесятых годов XX века многие скандинавские исследователи предлагали различные показатели эфф. систем вентиляции: Мальстрем и Острем (Malmstrom and Ostrom, 198 , Мальстрем и Алгрен (Malmstrom and Ahlgren, 198 , Сандберг (Sandberg, 198 , Скарет и Матисен (Skaret and Mathisen, 198 . В этих работах введены показатели, используемые в настоящее время для количественных оценок систем вентиляции помещений.
Эти показатели можно разделить на группы:

А. Показатели, определяющие способность системы вентиляции заменять воздух в помещении.

А. Показатель эфф. воздухообмена eа.

А. Показатель локального воздухообмена epa.

Б. Показатели, определяющие способность системы вентиляции удалять присутствующие в воздухе загрязняющие вещества.

Б. Показатель эфф. удаления загрязняющих веществ (CRE) ec.

Б. Показатель локального качества воздуха epc.
Эти показатели описывались во множественных публикациях: Скарет (Skaret, 1984, 198 , Сандберг (Sandberg, 198 ,

Сатклиф (Sutcliffe, 199 , Броунс и Уотерс (Brouns and Waters, 199 , Этеридж и Сандберг (Etheridge and Sandberg, 199 .

Какие показатели выбирать для оценок – зависит от конкретных целей системы вентиляции. Показатели эфф. воздухообмена группы А могут применяться в случаях отсутствия или недостатка информации об источниках загрязнений, в то время как показатели группы Б могут использоваться при наличии детальной информации об источниках загрязнений.

Концепция «возраста» воздуха в помещении
Концепция «возраста» воздуха была предложена Сандбергом (Sandberg, 198 и доказала свою полезность при оценке эфф. систем вентиляции.

Концепция среднего «возраста» воздуха является концепцией стационарного режима, основанной на распределении времени нахождения молекул воздуха в заданной точке. Время отсчитывается от момента ввода воздуха в помещение ( 4. . Находящийся в определенной точке воздух является смесью молекул, находящихся в помещении различное время, в течение которого в смесь добавляются молекулы загрязняющих веществ. средний «возраст» воздуха в точке p представляет собой меру качества воздуха в точке. При полном перемешивании воздуха в помещении средний «возраст» воздуха в точке должен быть одинаковым во всем пространстве помещения. Если в системе имеется короткое замыкание приточного устройства на устройство вытяжки, средний «возраст» воздуха в зоне замыкания будет меньше, чем аналогичный показатель в застойной зоне. У вытяжного устройства средний «возраст» воздуха равен номинальному постоянному времени tn:

где V – объем помещения, qv – расход вентиляционного воздуха.
Средний «возраст» воздуха для всего находящегося в помещении воздуха равен усредненному по пространству среднему «возрасту» воздуха в точках p, а время воздухообмена во всем помещении r равно удвоенному среднему «возрасту» воздуха в помещении.
Для облегчения понимания этих разных «возрастов» воздуха часто проводят аналогию с населением. Средний «возраст» воздуха, покидающего помещение, можно сравнить со средним возрастом умерших людей, а средний «возраст» воздуха в помещении – со средним возрастом живущих в данный момент людей.

Эффективность воздухообмена
Как было отмечено выше, эффективность воздухообмена ea есть показатель скорости замены воздуха в помещении. Средний «возраст» воздуха, выходящего из помещения, равен среднему времени пребывания вентиляционного воздуха в помещении и равен номинальному постоянному времени tn = V/qv (V – общий объем помещения, qv – расход вентиляционного воздуха). Теоретически этот показатель равен минимально возможному времени замены воздуха в помещении, но это действительно только для однонаправленного потока воздуха. Фактическое время воздухообмена непосредственно связано со средним «возрастом» воздуха в помещении . Время воздухообмена для всего воздуха в помещении r равно удвоенному значению среднего «возраста» воздуха в помещении.

Эффективность воздухообмена ea определяется как отношение минимально возможного времени воздухообмена в помещении или номинального постоянного времени n к фактическому времени замены воздуха r:

Верхним пределом этого показателя эфф. является 100 %, что может быть возможно для идеального поршневого режима потока воздуха. В табл. 4.1 приведена сводка показателей эфф. воздухообмена при различных условиях потока воздуха в помещении.

Показатель локального воздухообмена epa характеризует условия в определенной точке, и в зависимости от положения в помещении точки измерения он может быть достаточно большим. Показатель локального воздухообмена определяется как отношение номинального постоянного времени к среднему «возрасту» воздуха в точке P: p.

В случае полного перемешивания средний «возраст» воздуха в точке одинаков по всему объему помещения и равен номинальному постоянному времени. В этом случае показатель локального воздухообмена равен 100 % по всему помещению.

Эффективность удаления загрязняющих веществ

В данном материале все значения концентрации загрязняющих веществ представляются в виде чистых величин по отношению к абсолютным значениям концентрации. Это означает, что все значения даются как превышения над значениями концентрации загрязняющих веществ в наружном или приточном воздухе cs. Надо сказать, что это упрощение не ведет к потере общности.

Эффективность удаления загрязняющих веществ (CRE) eс является показателем скорости удаления присутствующих в воздухе загрязнений. Этот показатель определяется как отношение концентрации загрязняющих веществ при установившемся состоянии в вытяжном воздухе ce() к средней концентрации загрязняющих веществ в помещении при установившемся состоянии .

Это определение аналогично определению, предложенному для оценки эфф. систем вентиляции Ридбергом и Кулмуром (Rydberg and Kulmur, 194 . В ситуации полного перемешивания воздуха в помещении концентрация загрязняющих веществ в вытяжном воздухе равна концентрации в помещении, при этом CRE = 100 %. При других условиях CRE может меняться от весьма небольших значений до весьма больших, в зависимости от положения источника загрязнений и характера потока воздуха в помещении. Значение CRE меньше 100 % означает, что эффективность системы вентиляции ниже, чем в случае простого полного перемешивания воздуха в помещении. При равномерном распределении источника загрязнений, что часто бывает, если основными источниками загрязнений являются сами люди, находящиеся в помещении, максимальное значение CRE, равное 200 %, достигается при идеальном поршневом режиме потока воздуха.

При неравномерном распределении источников загрязнений положение источника оказывает значительное влияние на значение CRE и большое значение этого показателя так же не говорит об удовлетворительной работе системы вентиляции.

В установившемся состоянии концентрация загрязняющих веществ в вытяжном воздухе зависит от интенсивности выделений загрязнений S и расхода вентиляционного воздуха qv. Эта величина определяется как

В большинстве случаев этот показатель легко может быть замерен в вытяжном канале. При наличии нескольких каналов выражение 4.5 записывается в виде

Средняя концентрация загрязняющих веществ при установившемся состоянии может быть легко замерена, если прекратить работу системы вентиляции и устранить выделение загрязняющих веществ. После перемешивания воздуха в помещении выполняются измерения концентрации загрязняющих веществ. но в большинстве случаев это не просто сделать, и прибегают к переходному методу, при котором замеряется время оборачиваемости (или номинальное постоянное время) загрязняющих веществ ttc. Можно показать, что эффективность удаления загрязняющих веществ eс может быть также определена как отношение номинального постоянного времени для вентиляционного воздуха ко времени смены загрязняющих веществ ttc:

Показатель локального качества воздуха epc является мерой загрязнения в точке и определяется как отношение концентрации загрязняющих веществ в вытяжном воздухе при установившемся состоянии ce() к концентрации загрязняющих веществ при установившемся состоянии в помещении в точке p, cp():

Часто используются другие определения, такие как eozc или ebc – показатели качества воздуха в зоне обслуживания и в зоне дыхания соответственно.

Измерения среднего «возраста» воздуха
Оценка среднего «возраста» воздуха осуществляется при помощи замера концентрации пробного газа тремя методами:

понижением концентрации пробного газа;

повышением концентрации пробного газа;

импульсным методом.

В представленных в табл. 4.2 формулах вычислений среднего «возраста» воздуха используется интегрирование, но на практике оценки этих показателей производятся суммированием ( 4.2, 4.3, 4. .

4. Метод понижения концентрации пробного газа В помещение выпускается небольшое количество пробного газа, и после его полного перемешивания с внутренним воздухом и образования равномерной концентрации газа по всему помещению производится замер концентрации загрязняющих веществ в вытяжном воздухе ce( . Начальное время замера устанавливается как t= Далее, благодаря работе системы вентиляции содержание пробного воздуха понижается, в это время выполняются замеры концентрации газа или в определенной точке помещения, или в вытяжном потоке, в зависимости от того, какой показатель «возраста» воздуха определяется.

На 4.2 продемонстрирован понижающий метод замеров в вытяжном воздухе. Замеры начинаются с момента t=0 при равномерной концентрации загрязняющих веществ ce( по всему помещению. Площадь на графике, ограниченная сверху понижающей кривой, равна значению номинального постоянного времени. Приводится формула подсчета среднего «возраста» воздуха в помещении .

Если же измерения производятся в точке p (в этом случае средний «возраст» воздуха в помещении крайне не желательно вычислить на основе значений понижающей кривой), площадь под кривой равна среднему «возрасту» воздуха в этой точке, p.

4. Метод повышения концентрации пробного газа Пробный газ вводится в помещение непрерывным и постоянным потоком в приточный канал для определения эфф. воздухообмена или в определенной точке помещения для определения показателей эфф. удаления загрязняющих веществ (CRE).

На 4.3 представлен метод повышения концентрации пробного газа с точечным впускным устройством, помещенным в некотором месте помещения. Концентрация загрязняющих веществ измеряется в вытяжном воздухе, зона под кривой представляет собой время смены загрязнений.

4. Импульсный метод Пробный газ вводится в помещение коротким импульсом от устройства подачи, помещенного или в приточном канале для определения эфф. воздухообмена, или в определенной точке помещения для определения показателей эфф. удаления загрязняющих веществ (CRE).

На 4.4 демонстрируется импульсный метод в случае расположения устройства подачи в приточном канале. Концентрация загрязняющих веществ измеряется в точке в помещении, в результате измерений вычисляется средний «возраст» воздуха в точке.

Измерения эфф. систем вентиляции
Пробные газы
Для большинства измерений при определении эфф. вентиляции требуется пробный газ. В некоторых случаях могут использоваться газы, выделяемые в помещение в цикле работы различных устройств и людей. При необходимости использования пробного газа должныбыть выполнены некоторые требования. но идеальных пробных газов не существует, поэтому при работе с газами необходимо учитывать следующие аспекты:

Пробный газ не должен быть естественной составляющей воздуха в помещении, по крайней мере, его содержание не должно быть настолько велико, чтобы оно могло исказить результаты измерений концентрации загрязняющих веществ.

Для хорошего перемешивания с внутренним воздухом плотность идеального пробного газа должна быть равна плотности воздуха в помещении.

Пробный газ должен быть химически стабильным, чтобы во время измерений не происходило никаких реакций с воздухом или с другими материалами в помещении.

Пробный газ не должен прилипать к поверхностям или поглощаться поверхностями различных предметов в помещении.

Пробный газ должен быть доступен за разумную цену, т. е. он должен входить в ассортимент запасов каждого поставщика газов.

Параметры газа должны легко замеряться при помощи доступного коммерческого оборудования.

Пробный газ не должен быть токсичен, не должен оказывать вредного воздействия на окружающую среду.

Пробный газ должен быть негорючим.

На практике в качестве пробных газов применяют N2O и SF6, и фреоны (CFC). В табл. 5.1 приведены некоторые характеристики этих газов. В большинстве случаев при наличии чувствительного анализатора применяется N2O.

Анализаторы
Для определения эфф. систем вентиляции должны использоваться те или иные измерительные приборы для замера концентрации загрязняющих веществ. Обычно применяются газовые анализаторы прямого действия.

Эти приборы в основном используют следующие принципы:

Инфракрасное поглощение. Газ, состоящий из нескольких компонент, имеет несколько частот поглощения в инфракрасном диапазоне. В инфракрасных анализаторах используются различные проявления этого эффекта: расширение газа при нагревании, затухание инфракрасного луча и пр.

Захват электронов. В данном случае используется такое свойство пробного газа, как поглощение электронов, испускаемых источником радиоактивного излучения. Анализаторы этого типа, используемые в режиме забора проб, во много раз чувствительнее анализаторов, основанных на поглощении инфракрасного излучения, но обычно более сложны в применении.

Применяются также газовые хроматографы, но пробы для них должны передаваться для анализа в лабораторию.

Некоторые приборы являются чистыми анализаторами, которые так же необходимо снабдить насосами, расходомерами, переключателями для смены положений измерения и т. д. Можно также приобрести комплектное оборудование, обладающее всеми необходимыми функциями и включающее блоки регистрации и программное обеспечение расчета эфф. систем вентиляции.

При приобретении анализатора необходимо учитывать следующие его параметры:

Точность. Наряду с тем, что анализатор должен производить точные замеры концентрации загрязняющих веществ, важно, чтобы он обладал корректной линеаризацией измеряемого сигнала или имел кривую попр для всего диапазона измерений.

Чувствительность. Если в качестве пробного газа используется N2O, чувствительность измерительного прибора должна позволять измерять концентрацию газа до 10 промилей. Для дорогих газов, таких как SF6, для сокращения его расходования и сокращения стоимости измерений следует применять чувствительный анализатор.

Стоимость. Простой надежный анализатор стоит около 5 000 евро, в то время как стоимость комплектного коммерческого оборудования со всеми устройствами и приспособлениями для удобной работы может доходить до 50 000 евро.

В дополнение к самому анализатору необходимо приобрести различные устройства и приспособления: трубы, трубопроводную арматуру, насосы и, возможно, блок переключения м. разными трубами для взятия проб ( 5. .

Ввод пробного газа
Пробный газ должен подаваться или в помещение, или в приточный канал. На 5.2 показаны некоторые компоненты для подачи пробного газа.

Измерение потока пробного газа

Количество подаваемого пробного газа должно контролироваться клапаном регулировки давления, поддерживающим постоянное давление газа, и ротаметром для измерения расхода газа. Если необходимо быстро достичь нужной концентрации пробного газа в помещении, требуется так же секундомер. Если предполагается подавать большое количество газа, в качестве альтернативы может быть использован метод контроля количества выпущенного газа при помощи взвешивания газового баллона.

Подача пробного газа в помещение

Для получения равномерной концентрации пробного газа в помещении он должен быть хорошо перемешан с внутренним воздухом при помощи вентиляторов или других подобных средств. При использовании тяжелого газа, такого как SF6, следует избегать ситуации, когда неразбавленный газ растекается по полу, т. к. потом будет трудно смешать его с воздухом в помещении. Поэтому газ должен постоянно смешиваться с воздухом во время подачи в помещение.

Это означает, что должны применяться смешивающие вентиляторы, устанавливающие в помещении циркуляцию воздушногазового состава.

Подача пробного газа в приточный канал

Опыт демонстрирует, что стратификация воздуха, проходящего через вентиляционную установку и каналы, весьма стабильна. Поэтому пробный газ, подаваемый в стратифицированный поток, входит в помещение неравномерно. Для подачи в небольшие каналы со сравнительно высокой скоростью приточного воздуха пробный газ может вводиться просто через трубку, вставленную в канал. Если же диаметр канала большой и/или v воздуха значительна, пробный газ должен подаваться в нескольких местах в плоскости поперечного сечения. Такой способ добавления газа используется при подаче газа непосредственно перед приточным вентилятором.

Процедуры измерения эфф. систем вентиляции
Измерения эфф. систем вентиляции могут проводиться четырьмя способами:

повышением концентрации пробного газа;

понижением концентрации пробного газа;

импульсным формированием концентрации пробного газа;

с использованием пассивных методов.

В дальнейшем мы остановимся только на методе понижения концентрации пробного газа и на пассивных методах, т. к. это наиболее часто используемые методы, предоставляющие универсальные возможности.

5. Измерения с понижением концентрации пробного газа При использовании метода понижения концентрации пробный газ вводится в помещение и смешивается с внутренним воздухом до равномерной концентрации. Наиболее часто газ подается впрыскиванием в струю от перемешивающего вентилятора. Для небольших помещений достаточно одного перемешивающего вентилятора, но для больших помещений может потребоваться несколько вентиляторов ( 5. .

Для предотвращения образования концентрации пробного газа, превышающей диапазон измерений анализатора, необходимо постоянно замерять количество подаваемого газа.

Так как важно обеспечить равномерность концентрации пробного газа, рек. проверять концентрацию в разных местах помещения.

Измерения начинаются, как только заканчивается цикл перемешивания воздуха и газа. В зависимости от вида выполняемых измерений, концентрация газа контролируется в одном или нескольких местах помещения либо в вытяжном воздухе ( 5. .

При другом способе проведения проверки с понижением концентрации пробный газ подается в приточный канал до тех пор, пока не будет достигнута равновесная концентрация (аналогичная процедура выполняется при измерениях с повышением концентрации пробного газа).

5. Пассивные методы В пассивных методах используется регулируемый ист. перфторуглерода. Небольшие элементы могут быть легко размещены в разных местах помещения.

Для измерений концентрации пробного газа применяются небольшие поглощающие угольные трубки.

Для определения эфф. системы вентиляции необходимо установить большое количество таких источников и поглотителей, образующих «сеть» для проведения измерений.

Вычисление эфф. систем вентиляции по результатам измерений концентрации пробного газа
Описываемая ниже процедура вычисления эфф. систем вентиляции применима как для определения эфф. воздухообмена, так и для нахождения показателя локального воздухообмена:

По полученным значениям концентрации газа постройте логарифмическую диаграмму как функцию времени. Это должна быть прямая линия после начального переходного периода. Если в помещении достигается полное перемешивание воздуха и газа, диаграмма с самого начала должна выглядеть как прямая линия. Считается нормальным, если кривая становится менее регулярной при малых концентрациях газа, что может объясняться недостаточной точностью анализатора. Эта нерегулярная часть должна быть отброшена и не участвовать в дальнейшем анализе. Отметьте последнее достоверное nе значение концентрации.

Вычислите наклон прямой линии. Это будет использовано в дальнейшем при экстраполяции от точки n к бесконечности для расчета части диаграммы, обычно называемой «хвостом».

Вычислите эффективность системы вентиляции согласно формулам, приводимым в следующем разделе.

На 5.6 показан пример построения диаграммы по измеренным данным, а на 5.5 – те же данные в виде логарифмической диаграммы.

5. Эффективность воздухообмена 5.5. Понижение концентрации пробного газа Средний «возраст» воздуха в помещении вычисляется как взвешенная площадь участка под кривой.

Расчет производится по формуле (5. . Для простоты отдельные элементы этого уравнения обозначаются как I, II, III и IV.

Элементы II и IV представляют собой последнюю часть данных понижающейся концентрации газа, экстраполируемую по первой части кривой.

На 5.5 поясняются отдельные символы, используемые в I и III.

Номинальное постоянное время определяется по следующей формуле:

Элемент VI представляет собой последнюю часть данных понижающейся концентрации пробного газа, экстраполируемую по первой части кривой. На 5.5 поясняются отдельные символы, используемые в V и VII.

5. Показатель локального воздухообмена 5.5. Понижение концентрации пробного газа Средний «возраст» воздуха в точке вычисляется по следующей формуле:

где с – концентрация газа в помещении, tn вычисляется по измеренным данным концентрации газа в вытяжном воздухе, как было показано при определении эфф. воздухообмена.

5. Пассивные методы Прежде всего, должна быть рассмотрена средняя концентрация пробного газа в каждой зоне. Это производится при помощи анализа проб на газовом хроматографе.

cp = Mp/к•T, (5.

где

cp – средняя концентрация пробного газа в соответствующей зоне;

Mp – количество пробного газа в пробе;

к – частота отбора проб пробоотборником;

Т – время измерений.

Средний «возраст» воздуха в точке вычисляется по данным концентрации пробного газа в каждой зоне:

где S – интенсивность испускания пробного газа в текущей зоне;

V – объем текущей зоны.

Средний «возраст» воздуха вычисляется по значению среднего «возраста» воздуха в точке.

5. Эффективность удаления загрязняющих веществ Эффективность удаления загрязняющих веществ определяется как отношение измеренной концентрации загрязняющих веществ в вытяжном воздухе к концентрации в точке или усредненной концентрации для нескольких точек в помещении.

При этих вычислениях предполагается, что концентрация в приточном воздухе равна нулю.