В этом номере мы публикуем разделы «Для чего нужна эффективная вентиляция» и «Типичные загрязняющие вещества и их распределение в вентилируемых помещениях». Остальные разделы Руководства по проектированию эффективной вентиляции будут напечатаны в следующих номерах нашего журнала.

Руководство по проектированию эффективное вентиляции содержит следующие разделы:

Общее представление об эфф. вентиляции.

Для чего нужна эффективная вентиляция.

Четыре первопричины необходимости проверки качества вентиляции.

Обеспечение свежим воздухом, удаление загрязняющих веществ.

Несколько приточных и вытяжных отверстий.

Влияние кратности рециркуляции воздуха на эффективность вентиляции.

Эффективность специальных систем вентиляции.

Типичные загрязняющие вещества и их распределение в вентилируемых помещениях.

Теория и определения.

Краткое содержание.

Введение.

Концепция «возраста» воздуха.

Эффективность воздухообмена.

Эффективность удаления загрязняющих веществ.

Измерения среднего «возраста» воздуха.

Измерения.

Пробные газы.

Анализаторы.

Ввод пробного газа.

Процедуры измерения эфф. вентиляции.

Вычисление эфф. вентиляции по результатам измерений концентрации.

Ввод в эксплуатацию.

Математическое моделирование воздушных потоков в помещении.

Проектирование эффективной вентиляции.

Конкретные проекты.

Имеющиеся стандарты.

Для чего нужна эффективная вентиляция
Четыре первопричины необходимости проверки качества вентиляции
Спроектировать и создать хорошую вентиляционную систему – это одно дело, а действительно знать, насколько хорошо она работает – совсем другое. Иногда фактические реалии значительно отличаются от намерений проектировщика. Поэтому имеется много причин для оценки эфф. вентиляции на самых ранних стадиях проектирования или уже после создания системы вентиляции. В качестве таких причин можно указать следующее:

Во время ввода в эксплуатацию покупатель хочет знать, что он получает за свои деньги.

Контроль качества предотвращает более позднюю дорогостоящую регулировку.

Измерение эфф. вентиляции может помочь в устранении неполадок при обнаружении их клиентом.

Хорошая вентиляция с подобающим контролем качества необходима для достижения следующих условий:

• обеспечение здоровья находящихся в помещении людей;

• обеспечение качества продукции на производственных предприятиях;

• большая производительность труда персонала;

• больший комфорт людей в общественных зданиях, в ресторанах или магазинах.

Сразу же возникает вопрос о финансовых вложениях, необходимых для осуществления измерений или оценки эфф. вентиляции. На этот вопрос должен ответить сам подрядчик. В любом случае деньги не будут потрачены зря, если меры по повышению качества вентиляции будут способствовать повышению степени удовлетворения клиентов.

Обеспечение свежим воздухом, удаление загрязняющих веществ
Вентиляция нужна для удаления загрязняющих веществ, для подачи наружного (можно надеяться – свежего) воздуха в помещение и иногда для отвода избыточного тепла. В данном руководстве базовой упор сделан на качество воздуха в помещении, здесь не затрагиваются вопросы контролирования температуры для обеспечения теплового комфорта.

Концентрация и распределение загрязняющих веществ тесно связаны с движением воздуха в помещении, поэтому приток свежего воздуха позволяет удалять застоявшийся или загрязненный воздух. Может быть показано, что подача свежего воздуха и удаление загрязняющих веществ по существу являются разными сторонами одной и той же проблемы. Достаточность воздухообмена может в основном оцениваться его способностью поддерживать достаточно низкую концентрацию загрязняющих веществ в заданной точке. На 2.1 показан локальный, или точечный, ист. загрязняющих веществ Q, характеризующийся интенсивностью выделения этих веществ S, и критическая точка Р замера концентрации на уровне носа человека.

Значение уровня загрязнения в точке Р используется для сравнения с опубликованными данными по предельно допустимому уровню концентрации (ПДК) для конкретных загрязняющих веществ. Для суждения о потоке вентиляционного воздуха и для возможности сравнения с другими системами удобно пользоваться  относительными значениями концентрации. При этом в разных случаях используются различные определения эфф. вентиляции.

Если действительное положение находящего в помещении человека не известно или если интересует только один обобщенный показатель, то рассчитывается эффективность для всего помещения при заданном положении источника ( 2. .

Иногда ист. загрязнения перемещается по помещению или его положение не известно. В этом случае предполагается равномерное распределение источника загрязнения, как показано на 2.3 для единственной точки измерения Р.

Если не известно ни положение источника Q, ни положение измерительного датчика Р, применяется наиболее общее (и неопределенное) описание, использующее такие показатели, как эффективность вентиляции для всего помещения при равномерно распределенных источниках ( 2. .

Несколько приточных и вытяжных отверстий
На практике вентиляция зданий осуществляется через несколько приточных и вытяжных отверстий. Это усложняет задачу. В разделе 5 данного Руководства будет показано, как определяются параметры качества воздуха и эфф. системы вентиляции при нескольких вентиляционных отверстиях. Также вызывает интерес вопрос о том, какое влияние на качество воздуха в точке измерения Р оказывает приток воздуха через отверстие sm. А в некоторых приложениях хотелось бы знать, можно ли уменьшить локальную концентрацию загрязняющих веществ в точке измерения Р изменением потока воздуха, выводимого через отверстие en. Эти вопросы обсуждаются в литературе (Kato et al., 1998, 199 и рассматриваются в практических руководствах, представленных в разделе 7.

изучим баланс воздуха и загрязняющих веществ в установившемся состоянии.

Выражение для баланса масс в предположении постоянной плотности записывается следующим образом:

где qSm– расход приточного воздуха через отверстие sm;

qen – расход вытяжного воздуха через отверстие en.

баланс одного загрязняющего вещества от источников Qi c интенсивностью выделения Si выражается как

Влияние кратности рециркуляции воздуха на эффективность вентиляции
В обычных системах кондиционирования воздуха часть вытяжного воздуха отводится на рециркуляцию, где этот воздух смешивается с наружным воздухом и затем агрегатом обработки воздуха вновь подается в помещение. Такой метод позволяет уменьшить мощность, необходимую для охлаждения воздуха, если рециркуляционный воздух холоднее наружного. В то же время, при высокой интенсивности рециркуляции качество внутреннего воздуха ухудшается. При сравнении ситуаций с различной кратностью рециркуляции необходимо помнить, что границы системы обеспечения эффективной вентиляции совпадают с границами помещения, т. е. через помещение с разной кратностью пропускается воздух одного и того же качества. Поэтому изменение кратности рециркуляции воздуха не влияет на расчетную эффективность вентиляции. Поэтому на вопрос, влияет ли кратность рециркуляции на эффективность, следует ответить «нет».

Эффективность специальных систем вентиляции
Представляемые в этой книге параметры производительности в основном относятся к помещениям с людьми, например к офисам, публичным и жилым помещениям и т. д. В особых случаях вводятся дополнительные определения эфф. вентиляции. Например, наиболее важным параметром для систем промышленной вентиляции является эффективность улавливания загрязняющих веществ (Goodfellow, Tahti, 2001; Европейский стандарт CEN/TC121/SC9/WG4, 1999; Gubler, 2002; Nielsen et al., 199 .

Для оценки качества воздуха в операционной или в чистой комнате производится локальный подсчет загрязняющих частиц. Количество частиц в кубическом метре пространства может различаться на несколько порядков, поэтому в качестве определения эфф. вместо концентрации был принят показатель логарифма концентрации. Этот модифицированный показатель хорошо зарекомендовал себя в качестве средства сравнительной оценки областей с весьма малой и весьма высокой концентрацией частиц загрязняющего вещества (Kulpmann, 200 . В данной книге не затрагиваются вопросы эфф. вентиляции в особых условиях.

Типичные загрязняющие вещества и их распределение в вентилируемых помещениях
Для нормального жизнеобеспечения здания требуется подача свежего воздуха и отвод избыточного тепла, удаление газов и частиц, выделяемых в этом здании. Тепло выделяется находящимися в здании людьми, различного рода оборудованием (компьютерами, телевизорами, освещением и т. д.), и проникающей в помещение солнечной радиацией. Внутри зданий также образуются и выделяются в воздух пар, различные газы и посторонние частицы. Приготовление пищи, сушка, например одежды, и сами люди повышают влажность в помещении. Несомненно, табачный дым является самым главным источником химического загрязнения внутреннего воздуха, кроме этого, большой вклад в загрязнение вносят летучие органические составы (VOC), выделяющиеся из строительных материалов, мебели, бытовых средств, косметики и офисных материалов (Molina et al., 198 . В качестве газообразных веществ, загрязняющих воздух в здании, следует указать углекислый газ (СО , угарный газ (СО), двуокись азота (NO и озон (О3). Углекислый газ выдыхают люди, к тому же он является естественным компонентом атмосферного воздуха. СО и NO2 могут образовываться при неполном сгорании и курении, озон вырабатывается копировальными аппаратами и лазерными принтерами (Molina et al., 198 .

Имеющиеся в воздухе загрязняющие вещества должны удаляться из здания системой вентиляции. Основным предназначением вентиляции является создание потока воздуха, ассимилирующего загрязняющие вещества от различных источников чтобы локальная концентрация загрязнений была достаточно низкой во всем пространстве помещения. Концентрация в вытяжном воздухе определяется выражением

где се – концентрация в вытяжном воздухе, мг/м3;

S – интенсивность выделения (мг/с);

qv – расход вентиляционного воздуха, м3/с;

cs – концентрация в приточном воздухе, мг/м3.

В некоторых упрощенных ситуациях предполагается, что воздух полностью перемешивается в помещении. Это означает, что концентрация во всем помещении равна концентрации в вытяжном воздухе се. но этого не может быть в реальной ситуации. В переносе загрязняющих веществ участвуют как конвекция, так и ламинарная и турбулентная диффузия, благодаря чему в помещении обязательно образуется градиент концентрации. Концентрация в некоторых точках помещения будет выше, а в некоторых – ниже концентрации в вытяжном воздухе.

На 3.1 показано распределение концентрации в помещении с приточной щелью, двумерным изотермическим потоком и источником загрязнений, покрывающим весь пол. Локальная концентрация нормализована по отношению к концентрации в вытяжном воздухе. Концентрация в левой части помещения под приточной щелью в четыре раза выше концентрации в вытяжном воздухе, из чего ясно, что в помещениях с перемешивающей вентиляцией образуются значительные градиенты концентрации. Применение меньшей приточной щели с h0/H=0,01 уменьшает концентрацию до уровня удвоенной концентрации в вытяжном воздухе, но и в этом случае сохраняется значительный градиент, который необходимо учитывать при проектировании системы вентиляции (Nielsen, 198 .

На 3.1 показаны также значения относительной скорости воздуха в разных точках. Из рисунка видно, что низкая концентрация связана с высокой скоростью в точке, а высокая концентрация – с низкой скоростью или вообще с отсутствием перемещения воздуха в окрестностях точки.

Показанное на 3.1 движение воздуха является изотермическим. Теплый воздух от отопительной системы вызывает образование стратификации в помещении, что ведет к значительному локальному сужению потока, как будет показано ниже (Heiselberg, Nielsen, 198 .

На 3.2 показан пример распределения концентрации от линейного источника. Из этого рисунка видно, что положение источника загрязняющих веществ важно для распределения и уровня загрязнения. В верхней части рисунка линейный ист. расположен вблизи зоны максимальной скорости воздуха в зоне обслуживания, в этом случае максимальное значение концентрации в области под приточной щелью равно 1,25–1,5 се. Концентрация возрастает до величины 3,0 се, если ист. располагается под приточной щелью в неподвижном воздухе, как в ситуации, представленной в нижней части рисунка. Все это подчеркивает важность положения источника в помещении с вентиляцией перемешивающего типа.

При наличии в помещении градиентов концентрации присутствие людей влияет на распределение загрязняющих веществ ( 3. . Тепловой пограничный слой вокруг человеческих тел способствует вертикальному перемещению воздуха, а движение людей и сужение потока, вызываемое человеческими телами, вызывают вертикальные и горизонтальные потоки загрязняющих веществ, даже в противоположном от основного потока направлении. присутствие людей значительным образом влияет на локальные модификации распределения концентрации и, тем самым, на качество воздуха в помещении, и это уже действительно зафиксировано на практике.

Находящийся в помещении человек ( 3. изменяет распределение концентрации до значений, показанных на 3.4 (H=3 м, L=9 м). В верхней части представлена ситуация, когда человек стоит от стены на расстоянии 3 м. Концентрация рядом с ним со стороны торцевой стены с приточным отверстием равна cb/ce=2,0, а в противоположном направлении этот показатель равен 1, Оба эти значения отличаются от величины cp/ce=1,2, полученной в пустом помещении в зоне дыхания человека. Нижняя часть рисунка демонстрирует ситуацию, когда человек находится на расстоянии 6 м от стены с приточным отверстием. Концентрация в этом месте в пустом помещении на том же расстоянии от пола равна cp/ce=1,2, а в присутствии человека – 1,3 и 0,9 по разные от него стороны (Brohus, 199 .

Расположение вытяжного отверстия может значительно влиять на распределение концентрации, оказывая при этом весьма небольшое воздействие на распределение скоростей. При вентиляции охлажденным воздухом вытяжное отверстие должно быть расположено сверху, а при обогреве помещения теплым воздухом – снизу.

На 3.5 показаны результаты измерений, представленных Матисеном и Скаретом (Mathisen, Skaret, 198 . Система вентиляции работает в основном с теплым приточным воздухом с разностью температур приточного и вытяжного воздуха qs–qe. Концентрация cp есть величина, усредненная по всему помещению на расстоянии 1,7 м от пола.

Высокое расположение вытяжного отверстия обуславливает тепловую стратификацию и малую степень воздухообмена в зоне обслуживания. Расположение источника загрязняющих веществ в нижней части помещения и режим системы воздушного обогрева с разностью температур Dq, равной 15°С, увеличивают концентрацию до учетверенного уровня концентрации в вытяжном отверстии.

На 3.5 показано, что при низком расположении вытяжного отверстия показатель cp/ce поддерживается на уровне 1,0, даже при большой разности температур. На рисунке видно, что для ситуаций с разным расположением вытяжного отверстия основные потоки идентичны, но при низком положении отверстия воздух отклоняется книзу, проходя через зону обслуживания. Это, в отличие от ситуации с высоким расположением вытяжного отверстия, предотвращает рост концентрации в нижней части помещения до высокого уровня.

Случаи, представленные рисунками 3.1, 3.2, 3.4 и 3.5, относятся к перемешивающей вентиляции, когда предполагается, что вариации распределения концентрации лежат в определенных пределах. В основе другого типа вентиляции – вытесняющей вентиляции – лежит идея принятия высокого уровня концентрации загрязняющих веществ под потолком и низкого уровня – в зоне обслуживания. Это возможно, если загрязняющие вещества выделяются вместе с теплом от нагретого предмета.

На 3.6 показано распределение концентрации в помещении с вытесняющей вентиляцией (Brohus, 199 . В помещении имеется вертикальный градиент концентрации загрязнений с низкой концентрацией у пола и высокой концентрацией се вблизи потолка. Тепловой пограничный слой вокруг человеческого тела способствует перемещению относительно чистого воздуха в зону дыхания, в результате концентрация во вдыхаемом воздухе cb ниже концентрации на той же высоте в других местах в помещении. Это важный эффект потока в помещении со стратификацией концентрации при использовании вытесняющей вентиляции. При движении человека со скоростью около 0,2 м/с защитный эффект пограничного слоя вокруг тела исчезает (Bjorn, Nielsen, 200 и (Mattsson, Sandberg, 199 . Эффект образования градиентов концентрации в помещениях с вытесняющей вентиляцией рассматривался также Брохусом и Нильсеном (Brohus, Nielsen, 199 . Эффект возмущающих воздействий (открытие и закрытие дверей и т. д.) обсуждается в публикации Мундт (Mundt, 199 .

Обычно утверждается, что плотность загрязняющих веществ не имеет особенно большого значения, так как влияние конвекции и турбулентной диффузии гораздо больше влияния сил гравитации на загрязняющие вещества. но утверждение это справедливо не во всех случаях. Эксперименты с SF6, имеющего плотность в пять раз большую плотности воздуха, показали, что концентрация у пола в 10–20 раз превышает средний уровень концентрации в помещении (Hansen et al., 198 . Этот эффект наиболее заметен в помещениях с ограниченным или недостаточным перемещением воздуха.

На загрязняющие вещества в виде твердых частиц сила тяжести также оказывает воздействие. Эксперименты в офисных помещениях с вытесняющей вентиляцией показали, что люди и их перемещения оказывают на распределение твердых частиц большее влияние, чем тип системы распределения воздуха (Lindqvist et al., 198 . Эксперименты и численные оценки Маруками (Murakami et al., 199 показывают, что частицы диаметром 10 мкм оказывают некоторое влияние на распределение концентрации в чистых комнатах, в отличие от распределения весьма маленьких частиц. Частицы диаметром 10 мкм имеют v осаждения в спокойном воздухе около 0,3 см/с (предполагается, что плотность равна 1 г/см .