Руководство по проектированию эффективной вентиляции

Математическое моделирование воздушных потоков в помещении

Движение воздуха и распределение загрязняющих веществ в помещении могут быть рассчитаны при помощи фундаментальных уравнений движения потока. Эти уравнения включают в себя уравнение непрерывности, три уравнения количества движения (одно на каждое измерение), уравнение энергии и уравнение переноса для распределения загрязнений. Все уравнения усреднены по времени, локальная турбулентность выражается в виде переменного коэффициента диффузии, называемого турбулентной вязкостью. Эта вязкость часто вычисляется при помощи двух дополнительных уравнений переноса, а именно уравнения кинетической энергии турбулентности и уравнения диссипации кинетической энергии турбулентности. Таким образом, полное описание потока включает в себя восемь сдвоенных нелинейных дифференциальных уравнений. Дифференциальные уравнения содержат производные первой и второй степени, выражающие конвекцию, диффузию и источник с переменным потоком загрязняющих веществ. Аналитическое решение этих дифференциальных уравнений для режима потока в помещении невозможно, но могут быть применены численные методы. Помещение делится на участки, образующие сетку. Дифференциальные уравнения трансформируются в уравнения конечных объемов, сформулированных для окрестностей каждого узла сетки.

Для всех шести поверхностей, ограничивающих каждый контрольный объем, формируются термы конвекции и диффузии, для объема строится терм источника.

Обычно помещение разбивается на 90х90х90 ячеек. Восемь дифференциальных уравнений для всего объема заменяются восемью дифференциальными уравнениями для каждого узла, в результате получаются 5,8 млн уравнений с таким же количеством неизвестных. Применяется итерационная процедура численного метода, включающая обычно 3 000 итераций. Таким образом, для прогноза движения воздушных потоков необходимо выполнить 17 млрд вычислений в узлах. Очевидно, что применение представленного метода в большой степени зависит от развития компьютерной технологии в плане как аппаратного, так и программного обеспечения.

Самые первые прогнозы движения воздушных потоков в помещении были сделаны в 1970-х годах. С тех пор работы в этой области значительно активизировались, в особенности из-за того, что стоимость вычислений каждые восемь лет снижается на порядок, и такая тенденция, вероятно, в ближайшие годы сохранится. Один из первых прогнозов движения воздушных потоков в вентилируемом помещении, основанный на вычислительных методах гидродинамики, был сделан Нильсеном (Nielsen, 1973). Джонс и Витл (Jones and Whittle, 1992) в 1990-х годах обсуждали в своей работе состояние и возможности применения этих методов. Рассел и Шурендран (Russel and Surendran, 2000) опубликовали обзор последних работ в этой области.

Распределение концентрации загрязняющих веществ является одним из основных факторов для выполнения прогнозов движения воздушных потоков в помещении при помощи вычислительных методов гидродинамики. С помощью этих методов возможно выполнение прогнозов эффективности удаления загрязняющих веществ и других показателей качества воздуха в помещении.

Вычисление расхода приточного воздуха является другим примером расчетного прогноза, который может быть выполнен проще по сравнению с полномасштабными измерениями в тестовом помещении. Расход приточного воздуха Up определяется как интенсивность источника в точке, деленная на полученную концентрацию в контрольном объеме вокруг источника (Up = Sp/cp). Большой расход приточного воздуха связан с областями большой скорости (прогноз Дэвидсона и Ольсона (Davidson and Olsson, 1987)). Средний «возраст» воздуха в точке tp может быть представлен уравнением переноса совместно с упомянутыми ранее восемью уравнениями, благодаря которым можно сделать прямое описание среднего «возраста» воздуха в помещении. Мадсен и др. (Madsen et al., 1993) представили прогноз среднего «возраста» воздуха в точке (в минутах) в плоскости симметрии помещения с одним приточным отверстием и двумя вытяжными отверстиями. Средний «возраст» воздуха вблизи вытяжного отверстия, находящегося у потолка, сравнительно мал, в то время как в центре рециркуляционного потока он принимает большое значение, что и следовало ожидать.

Эффективность вентиляции ресторана с совместным обслуживанием курящих и некурящих посетителей

Многие рестораны, пабы и бары слишком малы, чтобы выделять отдельные зоны для курящих и некурящих посетителей. В таких местах в качестве эффективного решения может быть предложено использование воздушной завесы для выделения зон для курящих и некурящих. Такое решение было продемонстрировано в комбинированном ресторане и баре «Kontoret Bar & Brasserri» в Норвегии. В подобных помещениях как обслуживающий персонал, так и посетители переходят из зоны для курящих в зону для некурящих и обратно, здесь также часто открываются и закрываются двери – поэтому смоделировать такие ситуации в лаборатории невозможно.

Измерения концентрации никотина – пассивный метод
В течение восьми часов производился отбор дозиметрами проб паров никотина согласно методу Ванга (Wang, 2000). Перед анализами в хроматографе для проведения масс-спектрометрии в Норвежском институте общественного здоровья мониторы органического пара (3М) пассивных дозиметров 3 500 были десорбированы согласно методу Хаммонда и др. (Hammond et al., 1987). Эффективность воздухообмена (см. раздел 4.4 – журнал «АВОК», 2003, № 2, с. 11): где tn – номинальное постоянное время; ( ) – средний «возраст» воздуха в помещении. В ресторане измерения проводились методами повышения и понижения концентрации пробного газа. Пробный газ (N2O) подавался в приточный канал до образования равномерной концентрации газа по всему помещению. Перемешивающие вентиляторы не применялись. Для измерений параметров пробного газа использовался инфракрасный анализатор.

Показатель локального качества воздуха

Пробы никотина брались в местах,вычисленные на основании измеренных концентраций никотина. Измерения начинались в 17:00 в четверг и пятницу. В качестве концентрации на вытяжке брались значения, полученные вблизи точки В. Все данные измерений указали на значения концентрации ниже максимально допустимого уровня.

Эффективность воздухообмена

Пробный газ подавался в приточный канал, а пробы воздуха брались в вытяжном канале. Оба эти канала установлены на крыше четырьмя этажами выше ресторана. Измерения производились в течение всего вечера. Во время этих измерений количество посетителей во всех помещениях увеличилось с 15 в начале вечера до 70 в полночь. Вычисленная эффективность воздухообмена колебалась в течение вечера от 58 до 61 %. (Один из тестов с повышением концентрации пробного газа дал результат 67 %. Однако следует отметить, что тесты, выполненные методом повышения концентрации пробного газа, часто менее точны, чем выполненные методом понижения.) Расчет номинального времени воздухообмена дал результат от 5,6 до 6,2 мин при кратности воздухообмена от 9,7 до 10,7 обм/ч (от 1 100 до 1 200 л/с). Это приблизительно на 20 % меньше расчетных данных Скистада и Бернера (Skistad and Berner, 2002).

Обсуждение

Измерения концентрации никотина и пробного газа показывают, что вентиляция выполняет свою работу как при умеренной загруженности ресторана, так и при большем наплыве посетителей. Наименьшая концентрация никотина – в зоне для некурящих, она всегда остается в пределах максимально допустимого значения концентрации, определяемого нормативами для общественных зданий. При этом предполагается, что персонал препятствует курению в зоне для некурящих. В пятницу наблюдается худший показатель качества воздуха, это можно объяснить присутствием большего количества посетителей, более интенсивным движением воздуха и курением некоторых посетителей в зоне для некурящих. Оценивать показатели локального качества воздуха в данных условиях нужно с известной осторожностью, т. к. никотин является нестабильным веществом и способен осаждаться на поверхностях. Анализ эффективности воздухообмена показывает, что воздух перемещается в основном из зоны для некурящих в зону для курящих, и гораздо в меньшей степени в обратном направлении.

Рассмотрим идеализированную схему ресторана в виде вентилируемого пространства с двумя зонами, с притоком в одной зоне и вытяжкой – в другой. Кроме того, мы предполагаем полное перемешивание воздуха в каждой зоне. Зона для курящих занимает около 30 % общего объема помещения. При таких условиях эффективность воздухообмена, равная 61 %, теоретически означает, что согласно Скарету (Ska•ret, 2000) расход из «зоны вытяжки» составляет приблизительно 30 % от расхода вентиляционного воздуха. Условием высокого значения показателя локального качества воздуха является небольшой поток воздуха (или его полное отсутствие) из загрязненной зоны в зону для некурящих. Фактические измерения этого показателя указывают на то, что обратный поток даже меньше результатов вышеуказанных теоретических построений для воздухообмена.

Заключительные замечания
Тест показал, что применение надлежащего вентиляционного оборудования и тщательное проектирование всей системы вентиляции приводят к значительному улучшению качества воздуха в ресторанах и барах. При использовании тщательно спроектированных воздушных завес значительно уменьшается потенциальная опасность для здоровья сотрудников ресторана. Благодаря правильному проектированию системы вентиляции при тесном сотрудничестве с владельцем ресторана обеспечиваются решения, позволяющие удовлетворять требования предписаний органов здравоохранения и охраны труда.