Проектирование охлаждающих балок - УКЦ
Рис.1. Применение активных охлаждающих балок |
Активные охлаждающие балки, используемые в Европе с середины 90 х годов прошлого века, в Северной Америке лишь недавно стали восприниматься как серьезная альтернатива системам кондиционирования нежилых зданий на базе воздушных холодильных машин. Охлаждающие балки не только кондиционируют воздух, но и обеспечивают его приток. Вопросы выбора габаритов балок и их размещения жизненно важны для обеспечения приемлемого уровня комфорта, соответствующего стандарту ASHRAE 55–2004 [1]. Особое значение здесь имеет уровень влажности в помещениях.
Его переоценка может привести к тому, что интенсивность воздушного потока, создаваемого балкой, будет чрезмерно высока, однако, если она окажется недостаточной, то возникнет опасность резкого повышения влажности и возникновения конденсата.
Принцип действия
На рис. 1 представлена схема активной охлаждающей балки. Первичный воздух после охлаждения и осушения (обозначен на рисунке цифрой 1) поступает из центрального кондиционера в воздухораспределительную камеру, откуда выбрасывается (2) через ряд сопел. Увлекаемый струями первичного воздуха, воздух из помещения (3) проходит через теплообменник балки, где охлаждается (4) и смешивается с первичным воздухом до тех пор, пока не будет выпущен обратно (5). Объем подсасываемого воздуха зависит от числа и конструкции сопел и обычно превышает количество первичного в 2–5 раз. Соответственно, поток воздушной смеси, поступающей в помещение, имеет в 3–6 раз большую интенсивность, чем поток первичного воздуха. Отношение интенсивности потоков всасываемого и первичного воздуха называется коэффициентом эжекции балки (КЭ).
В охлаждающих балках целесообразно применять теплообменники с температурой воды, равной точке росы для данного помещения или превышающей ее (для предотвращения конденсации). Обычно такой теплообменник обеспечивает 50–75 % от требуемого охлаждения, что позволяет подавать первичный воздух с интенсивностью, меньшей, чем в системах кондиционирования на базе воздушных холодильных машин. Так как в балке используется вода с температурой, превышающей точку росы, охлажденный ею воздух будет теплее первичного потока от воздушной холодильной машины. Разница температур воздушной смеси, подаваемой этими устройствами, составляет от 2 до 3,3 °С (у балки выше). Следовательно, охлаждающая балка должна создавать выходящий поток большей интенсивности, что, в свою очередь, повышает риск возникновения сквозняков и отрицательно сказывается на уровне комфорта.
Обеспечение комфортных условий
Рис. 2. Ощущения обитателей помещения,в зависимости от скорости и температуры воздуха |
Стандарт 55–2004 [2] дает определение зоны обитания как части пространства, в которой обычно находятся люди. В переводе на язык цифр это означает: место на расстоянии не менее 1 м от внешних стен или окон и не менее 0,3 м от внутренних перекрытий, ограниченное снизу полом, а сверху — высотой, на которой обычно находятся головы обитателей помещения. Так, если в офисном помещении сотрудники большую часть времени работают сидя, то высота зоны обитания принимается равной 1,1 м.
Глава 20 справочника ASHRAE по системам отопления, кондиционирования и вентиляции, изданного в 2009 году [3], содержит данные о количестве людей, испытывающих дискомфорт на уровне шеи и лодыжек при различных скоростях и температурах воздуха (рис. 2). Поскольку активные охлаждающие балки обычно располагают над головой, особенно критичной является зона на уровне шеи. При проектировании нужно стараться снизить до минимума возможные неудобства. В любом случае количество людей, испытывающих дискомфорт, не должно превышать 20 %.
Подача воздуха в помещение
Активные охлаждающие балки подают в помещение воздух тем же способом, что и линейные щелевые диффузоры. В процессе распространения воздушной смеси разница между ней и воздухом в помещении нивелируется. Линейный щелевой диффузор имеет относительно большую длину струи, скорость которой и разница температур с окружающим воздухом уменьшаются пропорционально пройденному пути.
Производители публикуют характеристики струи в виде расстояний, которые должен пройти поток, прежде чем его скорость достигнет определенных значений (как правило, они принимаются равными 0,75, 0,5 и 0,25 м/c). Эти данные позволяют оценить скорость потока в точке его входа в зону обитания. Также для этой точки может быть рассчитана температура подаваемого воздуха.
Рис. 3. Скорость воздуха на входе в зону обитания |
На рис. 1 показано пространство, обслуживаемое двумя активными балками с идентичной интенсивностью потоков первичного (Qp) и выходящего (Qs) воздуха. Выходящий поток вычисляется путем умножения коэффициента эжекции на величину первичного потока. Допустим, КЭ балки равен 2,5, параметры первичного потока — 170 м3/ч, 13 °С. Температура в помещении — 24 °С. Пусть вода, подающаяся в теплообменник, охлаждена до 14 °С, ее же температура на выходе — 16 °С. Интенсивность выходящего потока будет в 3,5 раза выше, чем первичного, и составит 595 м3/ч. Температура воздуха, выходящего из теплообменника (Тос) может быть принята равной температуре воды в нем плюс 0,6 °С (на самом деле она теплее воды на 1–2 °С).
Зная температуру первичного воздуха (Тpa) можно вычислить температуру воздуха на выходе из балки (Tz) и разницу между ней и температурой воздуха в помещении (ΔTz).
Tz = (Тpa + (Тос х КЭ))/(КЭ + 1)
Δtz = Troom — Tz
Или, для нашего случая,
Tz = [13 °С + (15,6 °С х 2,5)/(2,5 + 1)] = 14,9 °С
Δtz = 24 °С — 14,9 °С = 9,1 °С
Начальная скорость (V0) воздуха, выходящего из щели, может быть определена путем деления интенсивности потока воздуха из каждой щели (для двусторонних балок — 0,5 х Qs) на эффективную площадь щели. Если эффективная площадь неизвестна, то для наших вычислений V0 может быть принята равной 2,3 м/c. Разницу температур потока в любой точке его пути и воздуха в помещении (Δtx) рассчитаем по следующей формуле [4]:
Δtx = 0,8 х Δtz х (Vx/V0)
Для балки с V0 равной 2,3 м/c и Δtz = 9,1 °С величина Δtx в точке, соответствующей скорости выходящего воздуха 0,25 м/с, будет равна 0,9 °С. Судя по графику на рис. 2, эти условия будут дискомфортными менее чем для 20 % находящихся в помещении людей.
Так как область в непосредственной близости от стен не является частью обитаемой зоны, скорость и температура воздуха в ней не влияют на комфортность. Тем не менее они могут препятствовать работе размещенного в этих областях оборудования, например вытяжек.
Наибольший риск появления сквозняка возникает прямо под точкой, где сталкиваются два воздушных потока. На рис. 1 показана такая ситуация, а скорость столкновения обозначена как VС. Если эта скорость значительна (больше 0,5 м/с), она повлияет на скорость воздуха, входящего в обитаемую зону (VH1). На рис. 3 показана зависимость скорости воздуха, входящего в обитаемую зону, от скорости столкновения и расстояния от точки столкновения до зоны обитания (H1).
Соображения, касающиеся влажности воздуха в помещении
Очевидное преимуществом, которое дает проектировщику использование охлаждающих балок, — возможность существенно снизить интенсивность первичного воздушного потока по сравнению с системами кондиционирования нежилых зданий на базе воздушных холодильных машин. Максимально она может быть уменьшена на 50 — 75 %, — именно столько тепла забирает водяной теплообменник. Однако снижать интенсивность нужно с умом. Ее величина должна быть достаточной, чтобы, во первых, обеспечить вентиляцию, отвечающую нормам стандарта ASHRAE 62.1–2007 [6] (или других аналогичных документов), во вторых, поддерживать уровень влажности, соответствующий стандарту ASHRAE 55–2004, и, наконец, в третьих, охлаждать воздух в помещении до нужной температуры.
Как правило, значение интенсивности воздушного потока, достаточное для поддержания приемлемой влажности, выше необходимого и для вентиляции, и для охлаждения. Следовательно, именно коэффициент влажности (Wroom) определяет интенсивность первичного воздушного потока охлаждающей балки.
Использовать балки, в которых на водное охлаждение приходится более 65 % нагрузки, затруднительно из-за архитектурных параметров помещения, ограничивающих количество и габариты устанавливаемого в нем оборудования. Цель проектирования — уменьшить интенсивность первичного воздуха, обеспечив при этом необходимую вентиляцию.
Чем меньший уровень влажности в помещении обеспечивает балка, тем интенсивнее ее первичный воздушный поток. График на рис. 4, взятый из стандарта ASHRAE 55–2004 [7] указывает диапазон допустимых температур и влажности воздуха. Для степени одетости 1,0 clo (плотный деловой костюм) график определяет комфортные условия как температура по сухому термометру 24 °С, точка росы в помещении — 16,7 °С. Вода, поступающая в теплообменник балки, не должна быть холоднее точки росы.
Большинство систем кондиционирования и вентиляции высушивает воздух в помещении, устанавливая точку росы на уровне 11 °С, что соответствует удельной влажности (WPRIMARY) 58 гран (3,8 г/кг). Интенсивность воздушного потока (QPRIMARY), необходимая для отвода избыточного тепла (qLATENT) из помещения, может быть определена по формуле:
Qprimary = qLATENT/[0,68 х (Wroom — Wprimary)]
Для количества избыточного тепла, равного 400 Btu/ч (117 Вт), интенсивность первичного воздушного потока должна быть:
для Wroom = 65 гран (относительная влажность 50 %) — 84 кубических фута в минуту, или 143 м3/ч;
для Wroom = 68 гран (относительная влажность 52 %) — 59 кубических футов в минуту или 100 м3/ч;
для Wroom = 69 гран (относительная влажность 53 %) — 53 кубических фута в минуту, или 90 м3/ч.
Таким образом, при температуре 24 °С для поддержания относительной влажности, равной 50 %, необходим воздушный поток, интенсивность которого на 58 % больше требуемой для поддержания влажности на уровне 53 %. По стандарту ASHRAE 55–2004, относительная влажность 53 % является допустимой, она соответствует точке росы в 14 °С, что идеально подходит для наших целей.
Охлаждающие балки часто используются совместно с центральными кондиционерами, оснащенными системами рекуперации и тепловыми колесами, применение которых уменьшает значение точки росы в помещении.
Заключение
Активные охлаждающие балки могут быть использованы для отвода значительного количества тепла при сравнительно невысокой интенсивности первичного воздушного потока. Однако при этом необходимо помнить, что главной целью использования систем охлаждения в помещениях является поддержание максимально возможного уровня комфорта. Именно из этих соображений и следует подбирать параметры балок, учитывая, что:
- Охлаждающие балки не следует применять в помещениях с низкими потолками, расстояние от потолка до верхней границы зоны обитания не должно быть меньше 0,9 м.
- При установке балок в холлах, атриумах и других помещениях с высокой интенсивностью притока наружного воздуха необходимо принимать дополнительные меры по предотвращению образования конденсата.
- Для обеспечения максимального уровня комфорта (скорость воздуха в обитаемой зоне не более 0,25 м/c) активные охлаждающие балки, установленные на высоте около 1,1 м над зоной обитания, следует размещать так, чтобы струя выходящего из них воздуха достигала скорости 0,5 м/c на дальности, не превышающей половины расстояния до балки, создающей встречный поток.
- Чем меньше сопла балки, тем выше коэффициент эжекции и, соответственно, больше охлаждающая способность потока первичного воздуха. Однако уровень шума тоже выше. Кроме того, в этом случае для соблюдения требований по величине давления на входе придется использовать большее число балок.
- Стремление чрезмерно снизить уровень влажности в помещении может привести к значительному увеличению интенсивности первичного воздушного потока.
Кен Лоудермилк (Ken Loudermilk), дипломированный инженер, вице-президент по технологическому развитию TROX USA, вице-председатель технического комитета ASHRAE по воздухораспределительному оборудованию, председатель подкомитета по охлаждающим балкам
Литература
-
ANSI/ASHRAE Standard 55–2004, Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy. -
Standard 55–2004, p. 3. -
2009 ASHRAE Handbook — Fundamentals, p. 20.13. -
Koestal, A. 1954. «Computing temperature and velocities in vertical jets of hot or cold air.» ASHVE Transactions 60:385. -
2007 ASHRAE Handbook — HVAC Applications, p. 56.4. -
ANSI/ASHRAE Standard 62.1–2004, Ventilation for Acceptable Indoor Air Quality, Table 6–1. -
Standard 55–2004, p. 5.2.1.1. -
2009 ASHRAE Handbook — Fundamentals, p. 9.12.