Кондиционеры настенного типа
FTXS-K

Публикации

Вентиляция и качество воздуха в крытых ледовых аренах
ВИШНЕВСКИЙ, канд. техн. наук, технический директор;
М.Ю. САЛИН, технический специалист,
Отдел исследований и развития, (г, Санкт-Петербург)

Требования к оптимальным и допустимым параметрам внутреннего воздуха в России регламентируются ГОСТ 12.1.005-88 [1]. Относительно недавно выпущены гигиенические нормативы ГН 2.1.6.1762-03 «Предельно допустимые концентра­ции (ПДК) микроорганизмов-продуцентов, бактериальных препаратов и их компонентов в воздухе рабочей зоны». По сравнению с иностранными стандартами российские нормы зачастую более жесткие. Однако в большинстве случаев жесткость норм компенсируется отсутствием возможностей или недостаточной информированностью проектировщиков о готовых технических решениях.

10.jpg

СКВ современных катков должны удовлетворять специфическим условиям, которые сильно отличаются от параметров обычного здания. Например, для того чтобы исключить появление тумана в зоне льда и конденсации влаги на ограждающих каток бортах, необходимо поддерживать абсолютную влажность воздуха ниже 4 г/кг. Это соответствует температуре точки росы +1 °С. Обеспечить требуемые условия, особенно в зоне катания, можно только при комплексном подходе к выбору схемы обработки воздуха. Принимая во внимание сложность процессов тепломассообмена в помещении катка, необходимо, помимо всего прочего, досконально учитывать многочисленные факторы, влияющие на организацию воздухообмена. В ряде статей затрагивались проблемы выбора осушителей для СКВ крытых катков. Коротко можно отметить, что традиционная система кондиционирования, управляемая по датчику температуры, не может справиться с задачей обеспечения требуемого внутреннего влагосодержания.

Холодопроизводительность приточной установки выбирают по максимальной тепловой нагрузке. Если явные теплоизбытки снижаются, а влагопоступления остаются большими, то в сооружениях, не оборудованных дополнительно осушителями воздуха, влажность может стать чрезмерной. Когда теплопритоки малы, то компрессор холодильной установки непосредственного испарения (DX) работает лишь какое-то время, управляемый по датчику температуры. Если термостат не подает сигнала, то компрессор не работает, процесс осушения в воздухоохладителе прекращается и ранее сконденсировавшаяся влага начинает испаряться с поверхностей теплообменника. Это приводит к тому, что поток воздуха ассимилирует влагу в неработающем воздухоохладителе и вносит избыточную влажность в помещение. Несмотря на то, что влажность остается чрезмерной, осушения воздуха практически не происходит в воздухоохладителе с избыточной холодопроизводительностью. Для предотвращения подобного развития событий необходимо управлять мощностью холодильной машины и по гигростату. Тогда воздухоохладитель мог бы работать продолжительное время, а конденсат успевал бы стекать в дренаж. Проведенные исследования [2] продемонстрировали тот факт, что до тех пор, пока доля работы компрессора не превысит 40% за время эксплуатации приточной установки, производительность осушения можно считать пренебрежительно малой (см. рис.1).

Исходя из гигиенических и экономических оснований, можно утверждать, что традиционные системы с конденсационными осушителями применимы для условий массового катания и выступлений фигуристов. Для тренировок и соревнований хоккеистов требуется «жесткий лед» с температурой –6 °С. Адсорбционные осушители могут обеспечить температуру точки росы ниже 0 °С, работая с наилучшей энергоэффективностью [3]. Адсорбционные установки позволяют круглогодично поддерживать оптимальные параметры микроклимата внутри спортивных ледовых сооружений. Глубокое осушение воздуха в спортивном комплексе даже в условиях жаркого и влажного климата позволяет предотвратить конденсацию влаги на льду и ограждениях при игре в хоккей. В данном случае рассматривается система кондиционирования воздуха в зоне катания. Вопросы, касающиеся вентиляция в зоне трибун и вспомогательных помещений, решаются традиционными способами. Следует учитывать, что рекомендуется обеспечивать небольшой положительный дисбаланс в здании в целях предотвращения подсоса наружного воздуха.

Индустрия ледовых хоккейных и развлекательных комплексов в Северной Америке и Скандинавии развивается уже несколько десятилетий, что позволяет нам воспользоваться чужим опытом в решении сложных задач. Обычно ледовые арены работают при температуре 10-18 °С. По мере того, как наружный воздух становится теплее, может расти влажность внутри помещений. Протекание крыши или водопровода, а также обычная работа душевых в раздевалках также может способствовать увеличению уровня влажности в зданиях. Если не принять во внимание эти факторы, то через некоторое время (через несколько лет) можно столкнуться с серьезными проблемами. Слишком высокая влажность может вызвать коррозию стальных конструкций, гниение деревянных элементов и потерю теплоизолирующих качеств ограждающих конструкций. Даже в такой стране, как Финляндия, где за последние тридцать лет были возведены сотни катков, некоторые катки с деревянными каркасами столкнулись с проблемами гниения уже через четыре года после завершения строительства [4]. Высокая относительная влажность способствует размножению некоторых типов плесневого грибка. Так, например, крытая хоккейная площадка в городе Вест Сенека (West Seneca), штат Нью-Йорк, была закрыта в мае 2008 г. по причине заражения плесенью. Санация помещений продлится до осени и повлечет расходы, оцениваемые в $ 188 тыс.

Плесень и ее споры вместе с другими микроорганизмами (вирусами, бактериями) обнаруживаются в воздухе любого помещения как отдельно, так и в виде агрегатов различного размера, а также в форме микровключений в другие пылевые частицы. Этот факт подтверждается многими исследованиями. Например, в Санкт-Петербурге в ряде квартир были исследованы пробы пыли и строительных материалов. Плесневые грибы были обнаружены во всех квартирах хотя бы в одном исследовательском образце. В 22 из 37 образцов пыли были найдены споровые бактерии и актиномицеты. Установлено, что наиболее широко распространены грибы рода Penicillium(50% квартир), Мисог (15%), Scopulariopsis(10%), Aspergillus(9%), Gladosporium(8%). Другими выделенными группами были: AlternanaCephalosporium, Paecilo-myces[5].

Проблема повышенной влажности и угроза возникновения плесени усложняется повышенной герметичностью ограждающих конструкций крытых ледовых площадок. Минимальная инфильтрация практически исключает неорганизованный воздухообмен. Если в здании есть зоны с недостаточной циркуляцией воздуха, то ассимиляции избыточной влажности осушенным воздухом не происходит. По­сле того, как плесень прочно «внедрилась» в пористые материалы, ее устранение становится почти невозможным.

Другая острая проблема, внимание к которой усилилось в последние годы, – загрязнение воздуха отработавшими газами при заливке и обработке края ледовой площадки. Большое влияние на концентрацию вредностей оказывает вид топлива и наличие (отсутствие) фильтров выхлопных газов. Само собой разумеется, что загрязнение воздуха не происходит при работе электрических машин. Однако капитальные затраты, связанные с электрическими машинами для обработки льда, значительно выше. Оценить выделения вредностей двигателями внутреннего сгорания можно по материалам зарубежной периодики.

Льдоуборочный комбайн с четырехтактным двигателем мощностью 92 кВт имеет расход бензина 5 л/ч. Машина для обработки края льда с двухтактным двигателем мощностью 6,5 кВт расходует 3,5 л/ч [6]. Продолжительность работы по восстановлению льда составляет от 10 до 20 мин. Заливка производится в среднем каждые полтора часа (8 раз в будние дни и 16 раз – в выходные). При этом выделяются вредности: льдоуборочным комбайном СО – 1230 мг/с и NO2 – 29.4 мг/с; машиной для обработки края льда СО – 800 мг/с и NO2 – 21.5 мг/с.

Концентрация вредностей в помещении, как и уровень влажности, во многом зависит от производительности вентиляции и организации воздухообмена. Режим работы системы вентиляции определяется алгоритмом управления и в современных условиях часто диктуется требованиями энергосбережения. Наибольшее распространение получила система непрерывной вентиляции с функцией поддержания требуемой температуры в помещении.

В целях экономии энергоресурсов практикуется ручное управление системой вентиляции, обслуживающей зону льда. Система включается во время работы машин в помещении в теплый и переходный периоды года для снижения влажности, а также в присутствии большого количества людей. Применительно к рассматриваемой задаче оптимальной является автоматическая система управления по сигналам от датчиков влажности и концентрации СО, СО2 и NO2. Так называемые адаптивные системы вентиляции {demand-controlledventilation, DCV) также могут управляться по датчикам присутствия и по расписанию, учитывающему изменение количества людей в помещениях. Возможны комбинации трех вариантов эксплуатации СКВ.

10-1.jpg

10-2.jpg

В рассмотренном Руководстве по эксплуатации системы вентиляции крытой ледовой арены приведены результаты моделирования параметров воздуха для канадского искусственного катка площадью 1800 м2. При высоте крыши 6,4 м объем вентилируемого пространства составит 13450 м3. Предельно допустимые концентрации принимались: СО – 25 ррт (31 мг/м3), NO2 – 20,5 ррт (1 мг/м3) и СО – 2800 ррт (1,5 г/м3). Российские требования к воздуху рабочей зоны определяют ПДК по СО – 20 мг/м3 и по NO2 – 22 мг/м3. Результаты расчетов концентрации (см. рис.2 и 3) показывают превышение ПДК по СО. Концентрации других загрязнителей укладываются в допустимые пределы.

Варианты организации эффективной вентиляции рассмотрены в статье [7]. На примере нескольких американских искусственных катков изучены недостатки существующих систем воздухораспределения. С помощью прикладной программы CFD (сотри-tatio-nalfluiddynamics) выполнено моделирование распределения температур и концентраций вредностей в объеме здания.

10-3.jpg

На рис.4 а изображена реальная схема воздухораспределения небольшого общественного катка, рассчитанного на 1200 зрителей. Строительный объем здания составляет 18,1 тыс. м3, производительность сиетемы вентиляции – 47,4 тыс. м3/ч (кратность 2,6 ч–1). Варианты б и с рассматриваются как альтернативные для последующей модернизации.

Зависимость состояния воздуха от производительности вентиляции

Таблица 1

Кратность, ч–1

Концентрация СО, ppm

Присутствие вредности (средний «возраст» воздуха), сек

Эффективность воздухообмена

2,6

19,48

1818

0,64

1,9

28,34

2516

0,66

1,5

33,04

2971

0,65

1,0

51,65

4057

0,62

Зависимость состояния воздуха от схемы воздухораспределения

Таблица 2

Вариант

Концентрация СО, ppm

Присутствие вредности (средний «возраст» воздуха), сек

Эффективность воздухообмена

а

18,89

1823

0,66

б

13,00

1152

0,96

с

13,44

1155

0,93

В табл. 1 и 2 приводятся усредненные данные о состоянии воздуха на ледовой площадке, которые получены в результате моделирования. Информация о состоянии воздуха во время и после работы машин на площадке потребуется для определения мер по снижению концентрации угарного газа до уровня ПДК; времени, необходимого для этого, и максимальной мощности вентиляции. На основании вариантного моделирования можно делать выводы о предпочтительности для эффективного воздухообмена различных технических решений.

Коэффициент эффективности воздухообмена К характеризует неравномерность распределения концентраций вредных выделений по высоте помещения:

10-4.JPG

где Суд, Спр, Соз – концентрация вредности в удаляемом воздухе, приточном воздухе и воздухе обслуживаемой зоны.

В настоящее время используются две методики для определения минимально необходимого воздухообмена, достаточного для обеспечения допустимого качества воздуха в помещении:

· методика на основе удельных норм воздухообмена, когда количество наружного воздуха устанавливается в зависимости от назначения помещения и режима его эксплуатации. Эта методика, как правило, применяется для расчета величины воздухообмена в помещениях, назначение которых не предполагается изменять, а значит, величина и характера загрязняющих веществ, поступающих в эти помещения, также не будут меняться в период эксплуатации;

· методика на основе расчета допустимых концентраций загрязняющих веществ,когда необходимое качество воздуха определяется в зависимости от величины и характера загрязняющих веществ в помещении. Эту методику рекомендуется применять для расчета величины воздухообмена в помещениях, которые могут изменять свое назначение и (или) режим работы в период эксплуатации, а также в которых могут присутствовать или появиться интенсивные источники загрязняющих веществ.

Как правило, при проектировании малых и развлекательных катков в техническом задании не учитываются вредности, выделяющиеся двигателями машин. Практика показывает, что расход свежего воздуха рассчитывают исходя из санитарной нормы. При игре в хоккей в зоне ледяного поля одновременно могут находиться до 50 человек. По санитарным нормам для спортсменов и судей необходима подача 80 м3/(чел • ч) свежего приточного воздуха, что составит 4000 м3/ч (кратность меньше 0,5 ч–1).

Более корректным является расчет по методике допустимых концентраций, т.к. двигатели внутреннего сгорания являются интенсивными источниками загрязняющих веществ. По ГОСТ 12.1.005-88 при длительности работы в атмосфере, содержащей оксид углерода, не более 1 ч, предельно допустимая концентрация оксида углерода может быть повышена до 50 мг/м3 (соответствует 40 ррт). Можно сделать вывод о том, что зона катания с большой вероятностью не будет в достаточной степени обеспечена свежим воздухом. ПДК будет превышена при кратности воздухообмена меньше 1 ч–1 в результате работы только одной машины в течение 10 мин. Для соблюдения требований государственного стандарта необходимо рассчитывать расход свежего воздуха СКВ искусственного катка более одного объема в час. Из-за увеличения расхода свежего воздуха соответственно увеличится мощность калориферов приточных установок и производительность осушителей воздуха.

Возможными вариантами для решения проблемы повышенной загазованностью являются:

· увеличение производительности вентиляционной системы в соответствии с требуемой кратностью воздухообмена (в таком случае потребуется функция модулирования частоты вращения вентиляторов);

· использование вспомогательной вентиляционной системы, расположенной в непосредственной близости от источника вредностей;

· использование элементов противопожарной системы дымоудаления;

· удаление спортсменов и зрителей из зоны катка во время заливки льда.

Любой из рассмотренных вариантов имеет свои достоинства. Последний вариант больше подходит для малых и тренировочных катков. Первый является наиболее предпочтительным с точки зрения снижения капитальных и текущих затрат.

10-5.jpg

Эффективность воздухообмена и чистота воздуха в значительной степени зависит от организации воздухораспределения. Результаты, представленные в табл. 2,демонстрируют преимущество расположения вытяжных решеток в непосредственной близости от обслуживаемой зоны. Уместно отметить, что многие крытые катки являются многоцелевыми спортивно-развлекательными сооружениями. В большинстве залов многоцелевого назначения принята подача сверху вниз через воздухораспределители плафонного типа. В тех случаях, когда каток используется для массового ка­тания, т.е. бортики отсутствуют, упомянутая схема обеспечивает эффективное удаление выхлопного газа. Если имеется хоккейная коробка, то ограждения (в т.ч. прозрачные), достигающие высоты 3,2 м, препятствуют удалению загрязненного воздуха с площадки. С конструктивной точки зрения удобнее всего располагать приточные и вытяжные устройства над ледовой площадкой ближе к кровле. В этом случае важно избежать «короткого замыкания», изображенного на рис.5.

10-6.jpg

Чтобы компенсировать конвективные теплопотери от воздуха на ледяной плите, приточный воздух должен иметь повышенную температуру. Наилучшие условия для обеспечения требуемого воздухораспределения достигаются подачей приточного воздуха через сопла. Сопла закрепляют на приточных воздуховодах, располагаемых в зависимости от размеров поля и высоты спортивного зала. В соответствии с нормами подвижность воздуха в рабочей зоне не должна быть больше 0,2 м/с.

Наиболее распространенные способы подачи теплого воздуха [8]:

· горизонтальными струями (сосредоточенная), при таком способе обслуживаемая зона омывается обратным потоком;

· наклонно под углом к горизонту;

· вертикально вниз.

Недостатки первого варианта очевидны (см. рис.5). При выборе второго варианта нужно понимать, что организация воздухообмена в помещениях, которые оборудованы системами вентиляции, совмещенными с воздушным отоплением, сопряжена с рядом трудностей. Под влиянием гравитационных сил может существенно изменяться схема развития струи. Так, струя нагретого воздуха, подаваемого сверху вниз, может всплывать в верхнюю зону помещения, не достигая рабочей зоны. Ситуация может усугубляться значительной высотой здания (в случае спортивных сооружений – до 24 м). Увеличение высоты устройств раздачи воздуха обеспечивает возможность подачи больших расходов в одной точке и уменьшение общего количества воздухораспределителей. На рис. 6 приводятся результаты исследования возможности перегрева приточного воздуха при различных вариантах размещения воздухораспределителей с поворотными фланцами ВПФ (диаметр направляющего сопла от 120 до 220 мм). Данные сопла обладают улучшенными акустическими характеристиками и широким диапазоном по расходу.

Разность температур приточного подогретого воздуха и воздуха в рабочей зоне рекомендуется принимать не более [9]:

10-7.JPG

где V0 – скорость в начальном сечении;

А0 – расчетное выходное сечение воздухораспределителя;

т = 6,4 – скоростной коэффициент воздухораспределителя;

n = 4,8 – температурный коэффициент воздухораспределителя;

Н и hрз – высота оси воздухораспределителя от пола и высота рабочей зоны.

Например, для равномерного перекрытия ледового поля в 1800 м2 приточными струями необходимо подавать примерно 35000 м3/ч. При скорости истечения струи 12 м/с для ВПФ-0,3 (0120 мм) расход составит 875 м3/ч. Для компенсации потерь тепла от воздуха ко льду в обслуживаемую зону требуется подводить до 50 кВт тепла. Разница температуры воздуха на притоке и в зоне катания может составлять 8-12 °С. Расчеты показывают, что струя будет развиваться оптимально при установке воздухораспределителей на отметке 4-9 м (см. рис.6).

Для размещения воздухораспределителей выше отметки 12 м потребуется перейти к меньшему количеству и соответственно к большим диаметрам направляющих сопел. Расстояние между соседними воздухораспределителями ВПФ-0,5 (0220 мм, L = 3500 м3/ч) станет более 10 м. Для свободной струи угол раскрытия составляет порядка 11°. Уменьшение количества направляющих сопел приведет к ухудшению равномерности распределения воздуха по катку. Недостаток наклонной подачи воздуха заключается еще и в том, что в зависимости от наружных и внутренних микроклиматических параметров требуется ва­рьировать температуру приточного воздуха и, вследствие этого, изменять угол выпуска струи.

Состояние льда в значительной степени зависит от равномерности распределения температуры воздуха на площадке. Локальное повышение температуры приводит к снижению твердости льда, в результате чего при динамических нагрузках спортсмены могут повредить суставы ног. Все варианты компоновки системы воздухораспределения также нужно проверять на соответствие требованиям к подвижности воздуха в обслуживаемой зоне (не более 0,2 м/с). Правильно организованный воздухообмен с точно рассчитанной скоростью потоков должен обеспечивать стабильные и комфортные параметры воздуха на катке. Определение угла выпуска и дальнобойности струи и, следовательно, распределения температур и скоростей воздуха рабочей зоны подразумевает сложные компьютерные расчеты с использованием программ решения задач механики жидкости и газа.

Организация раздачи воздуха закрученной струей с сильной инжекцией (типа Air-Injector) позволит избежать сложностей, связанных с многовариантностью второй рассмотренной схемы. Воздух подается вертикально вниз непосредственно в рабочую зону. Подобное решение широко используется для отопления высоких складских и производственных зданий [10]. Воздухораспределитель с сильной инжекцией (Air-Injector) обеспечивает эффективное распределение приточного воздуха без создания его избыточной подвижности в помещениях от 4 до 13 м при различной температуре подаваемого воздуха. Дальнобойность струи обеспечивается обтеканием дискового рассекателя в корне струи. В результате на начальном участке у потока формируется длинная компактная шейка, и угол раскрытия струи оказывается близким к нулю.

Воздушная струя является управляемой благодаря направляющему лопаточному аппарату. Разворот лопаток направляет движение наружных слоев по касательной с соответствующей степенью закручивания струи и уменьшением дальнобойности. При этом длина вертикального участка струи в случае автоматического регулирования постоянно отслеживается в зависимости от внешних динамиче­ских воздействий, опуская или приподнимая горизонтально расходящуюся часть струи.

Разворот лопаток осуществляется приводом с помощью ручного потенциометра или автоматически. Управление дальнобойностью и формой струи особенно удобно в многофункциональных спортивно-развлекательных сооружениях. Если комплекс работает в режиме катка, воздухорас­пределитель направляет в зону льда струю с избыточной температурой. Вариант использования объекта в качестве концертной площадки, особенно в летнее время, подразумевает подачу охлажденного воздуха. Направления действия гравитационной и инерционной силы совпадают при относительно высокой плотности охлажденного воздуха. Во избежание сквозняков воздух нужно подавать в горизонтальном направлении. В этом случае лопатки поворачиваются на максимальный угол и формируют веерную струю, которая в начальной фазе может налипать на покрытие за счет эффекта Коанда.

Повышенная эжекционная способность, интенсивный турбулентный обмен способствуют более быстрому, чем в прямоточной струе затуханию скоростных и температурных параметров воздуха. Благодаря такой технологии подачи воздуха и большой удельной производительности (до 9000 м3/ч) обеспечивается покрытие необходимой площади без избыточной подвижности воздуха [11]. Например, для равномерного распределения воздуха на стандартной хоккейной площадке требуется 8 инжекционных воздухораспределителей.

Выводы

Ужесточающиеся требования к качеству воздуха в помещениях требуют применения эффективных решений в области вентиляции и технологии обработки воздуха. Необходимо использовать глубокое осушение воздуха в системе вентиляции для предотвращения повышенной влажности и зараже­ния плесенью сооружений с искусственным льдом. Исследования качества воздуха на американских катках показали превышение концентрации СО в результате недостаточного разбавления выхлопных газов, выделяемых машинами для восстановления льда. В техническом задании на проектирование системы вентиляции необходимо указывать тип двигателя машин, работающих в помещении. Для определения расхода свежего воздуха рекомендуется применять методику на основе расчета допустимых концентраций загрязняющих веществ. Для организации эффективного воздухообмена желательно использовать методы компьютерного моделирования.

Наиболее удобным с точки зрения проектирования и эксплуатации является воздухораспределение закрученными струями с сильной инжекцией (типа Air-Injector). Воздухораспределители указанного типа сочетают достоинства гибкого регулирования, обеспечения покрытия большой площади и равномерного распределения воздуха.

Литература

1. ГОСТ 12.1.005-88. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны.

2. Lewis G. Harriman. Dehumidification Equipment Advances // ASHRAE Journal. – 2002. – August.

3. Вишневский Е.П., Салин М.Ю. Достоинства адсорбционного метода глубокого осушения воздуха крытых ледовых арен // С.О.К. (Москва). – 2008 – № 8.

4. Правила ИИХФ по строительству и эксплуатации катков.

5. Васильев О.Д., Гоик В.Г. Проблемы укрепления здоровья и профилактика заболеваний. СПб., 2004.

6. Technical guide for the ventilation of Arena, CAN-MET Energy Technology Centre – Varennes, Canada.

7. Chunxin Y.} Demokritou P. and Chen Q. Ventilation and air quality in indoor ice skating arenas // ASHRAE Transactions. – 2000. – 106 (2).

8. Баландина Д.Я. Особенности раздачи теплого воздуха в помещениях с системами воздушного отопления // С.О.К. (Москва). – 2007. – № 1.

9. Пособие 1.91 к СНиП 2.04.05-91 «Расчет и распределение приточного воздуха».

10. Вишневский Е.П., Степанов А.Н. Эффективное воздушное отопление логистических центров с высотным стеллажным хранением // С.О.К. (Москва). – 2008. – № 3.

11. HOVAL, каталог Top Vent. Рециркуляционные и вентиляционные агрегаты для нагрева и охлаждения помещений с высокими потолками.