Вытесняющая вентиляция в классах школ

Введение

В школах ученики и преподаватели проводят до 36 часов в неделю в закрытых учебных помещениях, где при отсутствии достаточного воздухообмена происходит накопление вредных веществ и не соблюдаются требования [1] по качеству внутреннего воздуха.

При периодическом проветривании требуемое качество воздуха в классах обеспечено в 16% исследуемого временного промежутка [2, с. 39-51]. После прекращения проветривания концентрация углекислого газа (CO₂) вновь возрастает до превышающих нормы значений, что позволяет сделать вывод о малой эффективности использования такого способа организации воздухообмена в учебных классах.

В большинстве общественных зданий применяются системы механической перемешивающей вентиляции, основанные на принципе смешения приточного воздуха с внутренним при подаче воздуха в верхнюю зону помещения. Несмотря на выравнивание параметров микроклимата по всему объему помещения, при использовании такой системы вентиляции все равно сохраняется вероятность повышенной концентрации вредных веществ в зоне обслуживания для учащихся и преподавателей. Одним из возможных вариантов является применение вытесняющей вентиляции, предполагающей подачу приточного воздуха непосредственно в зону обслуживания помещения.

В работе [3, с. 199-204] рассматривается эффективность существующих климатических систем в школах. Несоответствие нормам и отсутствие таких систем в принципе в школах ведет к ухудшению самочувствия учащихся, вследствие чего необходимо использовать системы механической вентиляции с перемешивающей или вытесняющей системой воздухораспределения.

По данным [4, с. 162-174] использование вытесняющей вентиляции, основанной на подаче приточного воздуха в нижнюю зону помещения с малой скоростью, когда удаляемый воздух забирается из верхней зоны помещения, позволяет существенно снизить концентрацию вредных веществ в зоне обслуживания и повысить энергоэффективность воздухообмена.

Согласно исследованию [5, с. 128-132] при использовании смесительной системы вентиляции наблюдается увеличение концентрации CO₂ к низу помещения в отличие от вытесняющей вентиляции. В работе рассмотрены особенности проектирования систем вентиляции в общеобразовательных учреждениях и выполнено сравнение перемешивающей и вытесняющей вентиляции.

В исследовании [6] установлено, что вытесняющая вентиляция в классах обеспечивает более эффективное удаление вредных веществ из зоны обслуживания. Вместе с этим схема организации воздухообмена имеет недостатки: зависимость от наличия устойчивых тепловых источников, обеспечивающих стратификацию воздуха, нарушение воздухообмена при движении людей или других факторов, нарушающих вертикальное разделение по слоям воздуха.

Целью статьи является выявление условий применения вытесняющей вентиляции в классах школ.

Методы исследования

При рассмотрении систем вытесняющей вентиляции, ее преимуществ и недостатков был выполнен анализ данных, представленных в научных работах. Использован сравнительный метод для сопоставления и оценки различных схем организации воздухообмена.

Результаты

Системы вытесняющей вентиляции по сравнению с перемешивающей обеспечивают лучшее качество воздуха в помещении за счет использования температурной стратификации (рис.).

Рис. Распределение концентрации CO₂ в классе при вытесняющей и перемешивающей вентиляции [7]

Дополнительным преимуществом систем вытесняющей вентиляции является то, что коэффициент эффективности систем воздухораспределения равен 0,6–0,8 [1]. Коэффициент эффективности – это показатель того, насколько эффективно используется приточный воздух для поддержания приемлемого качества воздуха в зоне дыхания. Коэффициент эффективности, равный 0,8, означает, что для выполнения требований [1] может использоваться меньший расход наружного воздуха. Таким образом, системы вытесняющей вентиляции снижают потребление энергии на нагрев и охлаждение приточного воздуха.

Одной из проблем вытесняющей вентиляции является то, что воздухораспределители размещаются в зоне пребывания людей, как правило, вдоль стены. Согласно [1] скорость воздуха в зоне обслуживания не должна превышать 0,2 м/с, чтобы избежать значительного дискомфорта от сквозняков. Соответственно, при вытесняющей вентиляции зону, где скорость выше 0,2 м/с, можно назвать «зоной сквозняка». Знание размеров этой зоны имеет решающее значение при проектировании систем воздухораспределения. Для обеспечения комфорта людей, находящихся в помещении, рабочие места необходимо размещать за пределами «зоны сквозняка».

В инженерной методике расчета воздухораспределения выполняется расчет максимальной скорости и избыточной температуры в точке входа струи в зону обслуживания [8]. При этом коэффициенты стеснения, взаимодействия и неизотермичности принимаются равными «1», т. е. эти факторы, влияющие на развитие струи, не учитываются.

Длина «зоны сквозняка» (дальнобойность струи, l_0,2, м) может быть определена по зависимости , м.

Где:

m – кинематический коэффициент воздухораспределителя;

F₀ – площадь расчетного сечения воздухораспределителя, м²;

V₀ – скорость в расчетном сечении воздухораспределителя, м/с.

Следует отметить, что методика расчета не позволяет оценить длину зоны обслуживания одного воздухораспределителя. Имеются данные [2, с. 39-51], что длина этой зоны примерно в 5-6 раз превышает длину «зоны сквозняка». Данный вопрос требует дополнительного исследования.

Методика расчета [8] действительна только для определенных условий. При проектировании воздухораспределения необходимо также учитывать:

• неизотермичность потока; методика [8] позволяет выполнить расчет дальнобойности струи l_0,2 при температуре приточного воздуха на 2-3°C ниже температуры, принятой в помещении;
• взаимодействие струй;
• влияние ограждающих конструкций, расположение мебели и оборудования.

Выводы:

1. Проведенный анализ показал, что вытесняющая вентиляция в отличие от перемешивающей является более эффективной схемой воздухораспределения за счет обеспечения лучшего качества воздуха в обслуживаемой зоне помещения.
2. Использование вытесняющей вентиляции не может стать повсеместным из-за ограничений, связанных с проектированием данной системы. Вследствие чего внедрение такой организации воздухообмена должно решаться на стадии проектирования.