7.8. Ефективність загальної вентиляції приміщень [22, 23]

Дотепер прийнято оцінювати ефективність (якість) загальної вентиляції повітрообміном (кратністю повітрообміну) [1, 6 тощо]. Ця величина є загальноінформа-ційною, оскільки вона не враховує ані особливостей розподілення притікального повітря, тобто його впливу на мікроклімат в зоні обслуговування (ЗО) (робочій зоні, РЗ), ні схеми перетікання повітряних потоків (повітря) через приміщення. Виходить, що завдяки вентилюванню настає рівномірне перемішування внутрішнього повітря і, відповідно, вирівнювання температури та концентрації забрудників, але в переважальній більшості реальних випадків такий ефект відсутній.

Завданням вентиляції приміщень є дві основні цілі:

• забезпечення розподілення притікального повітря, по можливості без змін його складу (чистоти) і температурно-вологісних параметрів, безпосередньо в ЗО чи РЗ;

• з погляду щодо розміщення джерел теплових і інших забрюднювальних виділень в приміщенні, притікальне повітря належить розподіляти в такий спосіб, аби теплові конвективні потоки і забрудники якомога швидше покинули ЗО чи РЗ і рухаючись найкоротшим шляхом попадали у всмоктувальні отвори, чи інші витікачі систем витікальної вентиляції.

Тобто, ефективність загальної вентиляції повинна оцінюватись з погляду її можливостей щодо забезпечення температурних умов і вмісту концентрації забрудників у внутрішньому повітрі ЗО (РЗ) на рівні нормативних приписів.

Очевидно, що на ефективність загальної вентиляції, в т.ч. і в ЗО (РЗ), впливають: теплова напруга приміщення (із врахуванням кількості теплоти, що переміщується повітряними потоками притікально-витікальної місцевої вентиляції), середня концентрація забрудника у внутрішньому повітрі (із врахуванням його кількості, що переміщується повітряними потоками притікально-витікальної місцевої вентиляції), повітрообмін, особливості повітророзподілення і схеми перетікання повітря через приміщення, час перебування внутрішнього повітря і забрудника, що міститься в ньому, у приміщенні (в його ЗО чи РЗ). З метою обрахування показників ефективності загальної вентиляції проаналізовано різні можливі варіанти перетікання повітря через приміщення і зведено їх до трьох узагальнюючих ідеалізованих схем (рис. 7.10): струминного повного перемішувального перетікання; випирального перетікання; ежекційного струминного перетікання.

Рис.7.10. Ідеалізовані схеми перетікання повітря через приміщення:

а – випиральне перетікання; b –струминне повне перемішування перетікання;

с – ежекційне струминне перетікання

Нехай:

кратність повітрообміну

;

номінальна часова стала

, (7.53)

де - кратність повітрообміну, год^-1 або с^-1; - внутрішній об’єм приміщення, м³; - номінальна часова стала, год або с; - витрата притікального повітря, м³/год або м³/с (, де – витрата витікального повітря).

Номінальна часова стала є найкоротшим з можливого часу перебування внутрішнього повітря в приміщенні. Час перебування цього повітря в приміщенні дорівнює проміжку часу між притіканням готованого (переважно зовнішнього) повітря в приміщення і витіканням внутрішнього повітря з нього.

Час перебування внутрішнього повітря в приміщенні, у випадку ідеального випирального перетікання повітря через нього (рис.7.10, а), рівний номінальній часовій сталій

,

де - реальний (пересічний) час перебування повітря в приміщенні, год або с.

При струминному повному перемішувальному перетіканні повітря (рис.7.10, b), час його перебування в приміщенні є вдвічі довшим:

.

У випадку ежекційного струминного перетікання повітря (рис.7.10, с) час його перебування в приміщенні (деяких його виокремлених об’ємах) багаторазово може перевищувати номінальну часову сталу .

Отже випиральне перетікання повітря “знизу-вгору” є найкращим за наявності джерел тепловиділень, оскільки реальний час перебування внутрішнього повітря в приміщенні є найкоротшим і більш прохолодне (густіше) притікальне повітря, ніби поршнем, швидко випирає теплі конвективні потоки, а також тепліше (більш зріджене) внутрішнє повітря, у верхню зону приміщення, де воно через отвори витікальної вентиляції переміщуються поза внутрішній об’єм приміщення. Очевидно, що в цьому випадку повітрообмін приміщення буде найменшим, а якість повітря в ЗО (РЗ) найкращою. У випадку реального випирального перетікання повітря, наприклад, при застосуванні повітророзподільників для об’ємного заповнення ЗО (РЗ), повітрообмін приміщення буде дещо більшим, але суттєво меншим в порівнянні із застосуванням інших схем перетікання повітря через приміщення.

Очевидно, що найгіршим випадком ежекційного струминного перетікання є варіант ежекційного перетікання через верхню зону, що зображений на рис.1 с, адже в цьому разі, навіть за максимального повітрообміну, притікальне повітря тільки опосередковано впливає на параметри внутрішнього повітря в ЗО (РЗ). Покращити ці параметри загалом, а отже і температурні умови в ЗО (РЗ) зокрема, за зменшеного повітрообміну, можна завдяки похилому руху ежекційних притікальних струменів в напрямку ЗО (РЗ).

За струминного повного перемішувального перетікання “зверху-вниз” асимілюються всі теплонадлишки, вирівнюється температура внутрішнього повітря і концентрації забрудників в ньому, але для цього потрібні значно більші повітрообміни порівняно з іншими схемами перетікання повітря.

Відношення номінального (найкоротшого) до реального часу перебування внутрішнього повітря в приміщенні назвемо показником (коефіцієнтом) ефективності повітрообміну :

. (7.54)

Для ідеалізованих схем перетікання повітря через приміщення: - при ідеальному випиральному перетіканні повітря через приміщення; - при струминному повному перемішувальному перетіканні; - при ежекційному струминному перетіканні. За реальних схем перетікання повітря через приміщення: - при фактичному випиральному перетіканні; - при струминному перемішувальному перетіканні; - при ежекційному струминному перетіканні.

Показник (коефіцієнт) ефективності повітрообміну приміщень, який визначений за допомогою часу перебування внутрішнього повітря в приміщенні, мало характеризує процес перетікання повітря через внутрішній об’єм приміщення і ніяким чином не характеризує параметри внутрішнього повітря в ЗО (РЗ). Для цього потрібні локальні характеристики.

Нехай молодий вік повітря τ_v дорівнює половині фактичного часу його перебування в приміщенні, тобто

.

Тобто молодий вік внутрішнього повітря дорівнює часу між притіканням готованого повітря в приміщення і переміщенням його вже в якості внутрішнього повітря до деякої точки Р (рис.7.11). Чим внутрішнє повітря за віком є молодшим тим воно є чистішим, оскільки до нього домішалося ще не дуже багато забрудника.

У зв’язку з цим, можна представити у вигляді:

. (7.57)

Знайти вік внутрішнього повітря в певній точці виокремленого внутрішнього простору приміщення, а також експериментально визначити кратність і показник ефективності повітрообміну можна за методами радіоактивного індикатора [11] і міткових (слідових) концентрацій індикаторного газу [12-16].

Згідно [12-16] в якості індикаторних газів застосовують кисень, SF₆, CO₂ і найчастіше NO₂ (розвеселювальний газ). До початку включення СВ в дію індикаторний газ повинен бути добре перемішаний з внутрішнім повітрям. Треба враховувати, що метод індикаторних газів використовують тільки в спеціальних випадках, оскільки на сьогодні він є дорогим.

Рис.7.11. Уявні ймовірно можливі лінії течії повітряних потоків до точки Р

у внутрішньому просторі приміщення і графічне представлення віку внутрішнього повітря та часу його перебування в приміщенні при загальній притікально-витікальній вентиляції:

- витрата притікального повітря; - витрата витікального повітря

Для описання процесу переміщення забрудника поза межі приміщення скористаємось рис. 7.12.

Окрім попередньо вжитого поняття номінальної часової сталої (придатна для оцінювання кратності повітрообміну), для оцінювання середнього часу, який потрібний для переміщення частинки забрудника від джерела її виділення до всмоктувального отвору системи витікальної вентиляції, застосуємо поняття часу обміну :

, (7.56)

де - сумарна маса частинок забрудника у внутрішньому повітрі, г;

- продуктивність джерела забрудника, г/год або г/с.

Маючи величину і внутрішній об’єм приміщення , середню концентрацію забрудника у внутрішньому повітрі визначимо за формулою

, г/м³ , (7.57)

а середню концентрацію забрудника у витікальному повітрі

, г/м³. (7.58)

Рис.7.12. Уявні ймовірно можливі лінії течії повітряних потоків та переміщення ними забрудника до певної точки Р у внутрішньому просторі приміщення:

- витрата, відповідно, притікального і витікального повітря; , - концентрації забрудника, відповідно, в притікальному і витікальному повітрі; - концентрація забрудника в т.Р внутрішнього простору приміщення (наприклад в центрі ЗО чи РЗ); - сумарна маса частинок забрудника у внутрішньому повітрі; - продуктивність джерела виділень забрудника

Скориставшись рівняннями (7.57) і (7.58), за умови і прийнявши , отримуємо

. (7.59)

З рівнянь (7.56) і (7.59) отримуємо показник ефективності загальної вентиляції :

. (7.60)

Отже показник ефективності загальної вентиляції – це відношення середньої концентрації забрудника у витікальному повітрі до середньої концентрації забрудника у внутрішньому повітрі . Час обміну визначають аналогічно як і час перебування повітря в приміщенні . Числові значення величини можуть змінюватися від нуля до нескінченності, а коефіцієнт ефективності повітрообміну в межах від 0 до 1.

Показник ефективності загальної вентиляції характеризує її здатність щодо переміщення (транспортування) забрудника поза внутрішній об’єм приміщення.

За повного рівномірного перемішування забрудника з внутрішнім повітрям маємо , а отже (причому ).

Якщо частинки забруднювальної речовини є важчими від внутрішнього повітря і їх трудно переміщувати (транспортувати) до отвору системи витікальної вентиляції , то час обміну є тривалішим за номінальну часову сталу (), а ефективність загальної вентиляції маліє і має величину . При випиральному перетіканні .

З метою уникнення чисельних величин, що перевищують одиницю при обрахунках величини скористаємось поняттям відносного показника ефективності загальної вентиляції :

, (7.63)

причому .

Показник ефективності загальної вентиляції ЗО (РЗ) можна визначити за відомою формулою:

, (7.64)

де - концентрації забрудника, відповідно, у внутрішньому повітрі робочої зони, притікальному і витікальному повітрі.

Отже, для ідеалізованих схем перетікання повітря через приміщення (рис.7.10) маємо:

• за струминного повного перемішувального перетікання (рис.7.10, b), коли , ;

• у випадку ідеального випирального перетікання, коли , ;

• при ежекційному струминному перетіканні, коли , , але він не оцінює якості повітря в ЗО чи РЗ (за деяких реальних схем ежекційного перетікання в ЗО (РЗ) чи виокремлених її об’ємах може перевищувати ).

Очевидно, що для реальних схем струминного перемішувального, випирального і ежекційного струминного перетікання повітря через приміщення значення будуть відрізнятись від вище вказаних, але за величиною наближатись до них.

У [20, 21] називають коефіцієнтом повітрообміну по надлишках концентрації шкідливої речовини. Його величину пов’язують зі способом повітророзподілення в приміщеннях з незначними надлишками явної теплоти (табл. 6.2 [20]) і рекомендують визначати за формулою

,

де ГДК – гранично допускна концентрація забрудника у внутрішньому повітрі ЗО (РЗ).

Аналіз цієї формули показує: за струминного повного перемішувального перетікання, коли ; у випадку ідеального випирального перетікання за величиною максимальний; у випадку ежекційного струминного перетікання за величиною мав би займати проміжні значення між одиницею і максимумом.

Аналіз значень , які подані в табл.6.2 [20] вказує на наявність величин , що викликає сумніви щодо їх достовірності.

Якщо величини і визначити експериментально за виділень забрудників, які легші і важчі за повітря, при різних їх середніх концентраціях у внутрішньому повітрі і різних схемах перетікання повітря через приміщення (із врахуванням хоча б теплонапруги приміщення), то їх можна використати як на стадії проєктування систем загальної вентиляції, так і для перевірки їх ефективності в часі післямонтажних і пусконалагоджувальних робіт та експлуатації СВ.

Показник температурної ефективності загальної вентиляції в ЗО (РЗ) доцільно визначати за відомою формулою [19, 4]:

де , , - температури повітря, відповідно, в ЗО (РЗ), витікального і притікального.

Отже, для ідеалізованих схем перетікання повітря через приміщення (рис. 7.10) маємо:

• при струминному повному перемішувальному перетіканні повітря (рис. 7.10, b), коли , величина ;

• у випадку випирального перетікання “знизу-вгору” (рис. 7.10, а), коли , ;

• у випадку ежекційного струминного перетікання повітря (рис. 7.10, с) .

Очевидно, що для реальних схем струминного перемішувального, випирального і ежекційного струминного перетікання повітря через приміщення значення будуть відрізнятися від вище вказаних, але за величиною наближатись до них.

Якщо величини визначити експериментально для приміщень різного призначення із врахуванням основних чинників впливу (теплонапруга, повітрообмін та конкретна схема перетікання повітря через приміщення), то їх можна використати на стадії проєктування наступним чином: розраховують надлишкові явні тепловиділення в приміщення від різних джерел; визначають теплонапругу приміщення; зваживши на конструкційні особливості приміщення і будинку, а також набутий практичний досвід, приймають схему перетікання повітря через приміщення; за рекомендованою для подібних приміщень кратністю повітрообміну і іншими вище переліченими чинниками приймають табличну величину ; реальну величину визначають в часі післямонтажних випробувань і налагодження передбачених систем загальної вентиляції і роблять висновок про температурну ефективність вентиляції приміщення.

Суть коефіцієнта () у літературі трактують по різному:

• в [19] називають деяким коефіцієнтом, меншим від одиниці (коефіцієнт - дослідна величина, що не залежить від періоду року); констатується, що величина може не дуже точно визначатись в залежності від відношення площі, зайнятої технологічними печами (або іншими джерелами інтенсивного виділення конвективної теплоти), до загальної площі підлоги приміщення. Не наголошується на залежності від теплонапруги приміщення, кратності повітрообміну і схеми перетікання повітря через приміщення;

• в [4] називають коефіцієнтом теплорозподілення (теплорозподілу), який враховує частку надлишкової явної теплоти, що впливає на температуру повітря РЗ приміщення. Коефіцієнт рекомендується для визначення температури внутрішнього повітря у верхній (пристельовій) зоні приміщення, причому всі величини даються для якоїсь узагальненої (“знизу-вгору”), а не конкретної, схеми перетікання повітря; при струминному зосередженому повітророзподіленні рекомендується приймати для всіх випадків (схем) перетікання повітря. Бачимо, що величина не пов’язана з теплонапругою приміщення і кратністю повітрообміну, а подані величини потребують уточнень навіть щодо пов’язаних з ними схем перетікання повітря;

• в [20, 21] називають коефіцієнтом повітрообміну по надлишках теплоти. Його величину пов’язують зі значними (табл. 6.1 [20]) і незначними (табл. 6.2 [20]) надлишками явної теплоти, з часткою тепловиділень в робочу зону (величина якої чомусь в багатьох випадках рівна одиниці (табл. 6.3 [20]), зі способом повітророзподілення і місцем витікання внутрішнього повітря (табл.6.3 [20]) і рекомендують визначати за формулою

.

Аналіз цієї формули показує: за струминного повного перемішувального перетікання повітря, коли ; у випадку ідеального випирального перетікання повітря за величиною максимальний; у випадку ежекційного струминного перетікання за величиною мав би займати проміжні значення між одиницею і максимумом.

Аналіз значень , які подані в табл. 6.2. і табл. 6.3 [20] вказує на наявність величин , що викликає сумніви щодо їх достовірності.

Однак бачимо, що і в [20, 21] величина не пов’язана з теплонапругою приміщення і кратністю повітрообміну, хоча вона і пов’язана зі схемою перетікання повітря (табл. 6.3 [20]).

Оскільки згідно [20, 21] чисельні величини перевищують одиницю і їх тяжко аналізувати, для оцінювання температурної ефективності загальної вентиляції доцільно користуватись показником .