Закономерности движения воздуха в вентилируемых помещениях

В зависимости от характера движения воздуха в вентилируемом помещении выделяют два вида вентиляции: вентиляцию вытеснением и вентиляцию перемешиванием.

Вентиляция вытеснением (рис. 1.3, а) используется обычно для вентилирования больших помещений. При этом воздух подается на нижний уровень помещения и движется в рабочую зону с малой скоростью. Для реализации принципа вытеснения приточный воздух должен быть несколько холоднее воздуха в помещении. Такой подход легко обеспечивает требуемые параметры микроклимата во всем объеме рабочей зоны, но он менее пригоден для небольших офисных помещений из-за сложности организации в них такого рода направленной подачи воздуха.

Вентиляция перемешиванием (рис. 1.3, б) является основным видом вентиляции, применяемым для вентилирования как больших, так и небольших помещений. При таком методе вентиляции свежий воздух в рабочую зону поступает уже смешанным с воздухом помещения.

Рис. 1.3. Виды вентиляции по способам организации движения воздуха:

а − вентиляция вытеснением; б − вентиляция перемешиванием

При вентилировании перемещение воздуха в помещении осуществляется благодаря наличию в нем приточных струй, конвективных потоков и движению воздуха у всасывающих отверстий.

Приточные струи, распространяющиеся в безграничном пространстве (на практике в помещении достаточно большого объема), называются свободными. Если температура струи не отличается от температуры окружающей среды, то струя называется изотермической. Параметры струи будут зависеть от некоторой опытной константы а, называемой коэффициентом турбулентной структуры. Значение этого коэффициента зависит от формы и конструктивного оформления приточного патрубка.

При этом чем больше значение коэффициента а, тем интенсивнее происходит

перемешивание приточной струи с окружающим воздухом. Для приточного патрубка цилиндрической формы а = 0, 07…0, 08, для патрубка с прямоугольной формой сечения а = 0, 1…0, 12. При наличии на выходном патрубке жалюзийной решетки а = 0, 16, а при специальном завихрителе потока а = 0, 27.

Схема свободной круглой изотермической струи показана на рис. 1.4. В соответствии с этой схемой внутри приточной трубы с внутренним диаметром d₀ на некотором расстоянии от ее кромок h = 0, 145 d ₀/ а находится полюс струи (точка Р), характеризующийся тем, что проведенные из него через кромки трубы лучи определяют внешние границы струи, на которых составляющая скорости струи в осевом направлении становится равной нулю. Угол α, определяющий наклон внешних границ струи, называется углом расширения струи. При этом имеет место соотношение tg α = 3, 4 a.

По мере удаления от среза трубы начальная масса струи (ядро) постепенно размывается за счет перемешивания с внешним воздухом. На начальном участке струи, несмотря на размыв ядра, осевая скорость струи w _x остается неизменной и равной скорости истечения струи w ₀. Длина начального участка S ₀ = 0, 335 d ₀/ а соответствует высоте обращенного конуса с основанием, образованным поперечным сечением среза приточной трубы. Далее идет основной участок, характеризующийся уменьшением осевой скорости струи.

При этом профили струи остаются подобными и могут быть описаны одним обобщенным профилем.

Рис. 2.4. Схема свободной изотермической струи

Если ввести в рассмотрение функцию Φ (x)=(a / d ₀) x +0, 145, то параметры круглой приточной струи для основного участка будут определяться следующими выражениями:

относительный диаметр

(1.1)

относительная осевая скорость

= w_x / w ₀=0, 48/Φ (x); (1.2)

относительный расход

(1.3)

относительная средняя по площади сечения струи скорость

(1.4)

Сравнение (1.2) и (1.4) показывает, что в каждом сечении струи осевая скорость превышает среднюю по площади струи скорость примерно в пять раз.

Если струя вытекает из прямоугольного отверстия, то постепенно она превращается в круглую. Следовательно, и в этом случае для основного участка можно использовать приведенные выше формулы, если в расчетах использовать эквивалентный диаметр

, (2.5)

где F – площадь прямоугольного отверстия.

Если приточный патрубок оборудован специальными насадками (решетками, диффузорами), то основные закономерности формирования воздушной струи сохраняются и в данном случае, только начальному участку струи предшествует участок формирования

плоского профиля струи, длина которого примерно равна характерному размеру решетки (диффузора). Этот размер может быть определен соотношением

, (1.6)

где L – расход воздуха через приточный патрубок с насадкой; w ₀ – скорость воздуха на выходе из патрубка с насадкой, а не в самом патрубке, как полагалось выше.

Длина начального участка для такой струи S ₀ ≈ 3 b. Угол расширения струи составляет около 20°. Относительный поперечный размер (ширина) струи

. (1.7)

Остальные параметры струи будут определяться коэффициентом K, называемым также коэффициентом диффузора, зависящим от типоразмера используемой насадки и принимающим значения от 4 до 6. При этом для круглых или квадратных решеток относи-

тельные осевая и средняя по площади скорости струи на основном участке

; (1.8)

Для струй, вытекающих из прямоугольных решеток (плоские струи) имеют место следующие соотношения:

; (1.9)

Исследования показывают, что при своем движении струя захватывает и перемешивает воздух окружающего пространства в количестве, значительно превышающем начальный расход воздуха в струе.

При рассмотрении приточных струй вводят понятие длины струи, под которым понимают расстояние от кромок приточного патрубка до сечения струи, где ее осевая скорость снижается до определенного предела, обычно равного 0, 2 м/с. Длину струи из-

меряют в метрах и обозначают как l _{0, 2} (рис. 1.5).

Рис. 1.5. К определению длины струи

Значение осевой скорости струи w _x = 0, 2 м/c близко к нормативному значению подвижности воздуха в рабочей зоне. Поэтому длину струи необходимо учитывать для того, чтобы избежать слишком высоких скоростей воздушного потока в рабочей зоне

помещения, а также при анализе циркуляции воздуха в помещениях, линейные размеры которых соизмеримы с длиной струи. Так, если длина струи, вытекающей из установленного на стене помещения приточного патрубка, соразмерна длине помещения, то возникает обратный воздушный поток, составляющий примерно 70 % от скорости основного воздушного потока у противоположной стены помещения и, как правило, попадающий в рабочую зону помещения (рис. 1.6). Например, если скорость падающей струи у стены составляет 0, 2 м/с, то скорость в обратном потоке будет равна 0, 14 м/с, что является вполне комфортным для рабочей зоны.

Рис. 1.6. Формирование обратного воздушного потока

Если температура приточной струи t _c отличается от температуры помещения t _п, то такая струя является неизотермической. Длины изотермической l _{0, 2и} и неизотермической l _{0, 2н} струй при одинаковой скорости истечения из приточного патрубка связаны соотношением

l _{0, 2н} = k l _{0, 2и}, (1.10)

где k – коэффициент пропорциональности, определяемый по графику на рис. 1.7 в зависимости от Δ t = t _c− t_п.

Рис. 1.7. Поправка для определения длины неизотермической струи

При подаче холодного воздуха температура в помещении будет понижаться. Большая степень охлаждения воздуха в помещении достигается при использовании потолочных, а не настенных приточных патрубков. Это объясняется тем, что потолочный воздухораспределитель распространяет воздух во всех направлениях и потому требуется меньше времени для смешивания и выравнивания температуры.

Следует отметить, что использование понятия «длина струи» иногда может приводить к неправильным оценкам. Отчасти это обусловлено тем, что изначально понятие введено для свободной струи, распространяющейся в помещении большого объема, обеспечивающем условия безграничного пространства. На практике это условие часто не соблюдается, и тогда конфигурация помещения может оказывать существенное влияние на форму приточной струи. Например, когда на пути струи встречаются препятствия в виде перекрытий, светильников и т. п., она может значительно отклониться от первоначального направления распространения. Когда поперечное сечение струи составит более 40 % от поперечного сечения помещения, эжекция воздуха помещения в струю прекращается, значит, изменяется и форма внешних границ струи.

Кроме того, часто необходимо обеспечить заданную скорость воздуха в определенной расчетной точке рабочей зоны. В связи с этим вводят понятие проникающей способности как расстояния до расчетной точки, в которой должна обеспечиваться требуемая скорость воздушного потока. Это может быть расстояние от кромок приточного патрубка до самой дальней точки помещения, требующей подачи воздуха. Так, для установленных на стене приточных патрубков проникающая способность должна быть равна глубине помещения, а для приточных патрубков, размещенных на потолке, проникающая способность составляет половину глубины помещения. Осевая скорость струи, соответствующая проникающей способности, может быть рассчитана по формулам (1.2), (1.8), (1.9).

Характер движения воздуха в помещении и эффективность удаления вредных выделений во многом будут зависеть от количества приточных и вытяжных отверстий, их взаимного расположения и расположения источников вредных выделений. Некоторые схемы вентилирования помещений показаны на рис. 1.8. Из представленных картин движения воздуха ясно, что приточная струя охватывает только часть объема помещения, и не всегда большую его часть. За границами приточной струи образуются зоны циркуляции воздуха, в которых воздухообмен происходит гораздо медленнее, чем в области течения струи, что приводит к повышенной концентрации вредных веществ в этих зонах.

Рис. 1.8. Схемы движения воздуха в вентилируемых помещениях при различных положениях приточных и вытяжных отверстий:

а − приток и вытяжка в верхней зоне помещения; б − приток и вытяжка соответственно

в нижней и верхней зонах помещения; в − приток и вытяжка с одной стороны

помещения

Такой вывод подтверждает рис. 1.9, на котором представлены результаты моделирования распределения концентрации вредных веществ в вентилируемом помещении, когда источник вредных выделений равномерно распределен по длине помещения. Как видно из рисунка, вредные вещества распределяются по объему помещения весьма неравномерно.

Рис. 1.9. Распределение концентрации вредных веществ в вентилируемом помещении

(1– 4 – относительная концентрация загрязнений)

Это обстоятельство нужно учитывать при анализе результатов расчета воздухообмена в системах вентиляции, так как при проведении таких расчетов предполагается, что с помощью вентиляции воздух полностью перемешивается в помещении и тем самым обеспечивается равномерное распределение вредных веществ по объему помещения. Кроме того, при анализе эффективности воздухообмена в помещении следует иметь в виду, что важным критерием такой эффективности является степень равномерности распределения концентрации вредных выделений в вентилируемом помещении.

Эффективный с этой точки зрения воздухообмен в помещении достигается при равномерном распределении притока по длине помещения и сосредоточенной вытяжке.