Москва, Шоссе Энтузиастов, 31

+7(495)721-88-28

+7(916)654-77-88

Наши события

Проектирование 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

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.

 
 

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:

  1. 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.
  2. При установке балок в холлах, атриумах и других помещениях с высокой интенсивностью притока наружного воздуха необходимо принимать дополнительные меры по предотвращению образования конденсата.
  3. 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.
  4. 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.
  5. 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

  1. ANSI/ASHRAE Standard 55–2004, Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy.
  2. Standard 55–2004, p. 3.
  3. 2009 ASHRAE Handbook — Fundamentals, p. 20.13.
  4. Koestal, A. 1954. «Computing temperature and velocities in vertical jets of hot or cold air.» ASHVE Transactions 60:385.
  5. 2007 ASHRAE Handbook — HVAC Applications, p. 56.4.
  6. ANSI/ASHRAE Standard 62.1–2004, Ventilation for Acceptable Indoor Air Quality, Table 6–1.
  7. Standard 55–2004, p. 5.2.1.1.
  8. 2009 ASHRAE Handbook — Fundamentals, p. 9.12.

iRicond

Наша компания занимается комплексной поставкой инженерного климатического оборудования. Мы профессионалы области вентиляции, кондиционирования, отопления, абсорбционных систем и современных энергосберегающих технологий.

Наши сотрудники проконсультируют вас по любому вопросу касательно нашего широкого ассортимента.

Наши контакты

  • Телефон: +7 (495) 721-88-28 
  • Сотовый телефон: +7 (916) 654-77-88
  • 111123, Москва, Шоссе Энтузиастов, д 31, стр 40.
  • Е-mail: info@iRicond.ru