Расход воздуха в воздухоопорном сооружении: вентиляция, рециркуляция и передача тепла

Одинаковая мощность отопления при двух разных расходах воздуха может дать разный результат. Меньшему количеству воздуха нужна более высокая температура, чтобы передать столько же тепла. Расход 26 100 м³/ч при нагреве на 40 К передаёт тепловую мощность около 350 кВт. Следующие примеры показывают связь расхода воздуха, рециркуляции и негерметичности. Сравнению источников тепла посвящён отдельный обзор вариантов отопления воздухоопорных сооружений.

1. Почему одной мощности отопления недостаточно

Воздух переносит тепло за счёт своего количества и разности температур. Если уменьшить расход и сохранить передаваемую мощность, воздух нужно нагреть сильнее. Когда выходная температура установки ограничена, меньший расход может ограничить используемую мощность, хотя у источника тепла ещё есть резерв.

Поэтому необходимо различать три величины. Тепловая мощность в кВт описывает скорость передачи тепла. Расход воздуха в м³/ч выражает объём воздуха за час при указанных условиях. Давление в Па описывает условия, в которых работает система. Одинаковое число кВт у двух установок не означает одинакового результата в зале.

Под мощностью отопления далее понимается тепло, фактически переданное воздуху, а не тепловая мощность потребляемого топлива и не электрическая мощность двигателя. Для пересчёта в покупную энергию потребовалось бы также учесть КПД источника тепла.

2. Как циркулирует воздух в воздухоопорном сооружении

Приточная установка подаёт нагретый воздух в зал. Часть уходит в окружающую среду через неплотности и другие открытые пути. Часть возвращается в установку, смешивается со свежим наружным воздухом и снова нагревается. Этот возврат называется рециркуляцией. Далее различаем три потока: свежий воздух, возвратный воздух и общий приток в зал.

Расход 26 000 м³/ч через установку не означает автоматически такое же количество свежего воздуха. При доле 70 % снаружи и 30 % из зала свежий воздух составляет 18 200 м³/ч, а возвратный — 7 800 м³/ч. Их сумма даёт общий приток в зал.

В установившемся режиме свежий воздух должен заменять воздух, уходящий наружу. Рециркуляция не является новым поступлением: воздух забирают из зала и возвращают обратно. Поэтому поддерживать избыточное давление только замкнутой циркуляцией невозможно.

Постоянная компенсация утечек обеспечивает воздухообмен. При ориентировочной подаче 30 м³/ч на человека расход 18 200 м³/ч свежего воздуха соответствует примерно 607 людям. В теннисном зале с шестью игроками это большой объёмный резерв; отдельная система вентиляции поэтому не требуется автоматически. Однако необходимую подачу определяют активность, число людей и требования к качеству воздуха; 30 м³/ч здесь — исходное значение для сравнения, а не универсальная спортивная норма. Важно и распределение воздуха в обслуживаемой зоне.

Точный расчёт использует массовые расходы, поскольку кубический метр холодного воздуха имеет не ту же массу, что кубический метр тёплого. В примерах сравниваются объёмные расходы при общей опорной плотности.

3. Как периметр и герметичность сооружения влияют на утечки

Площадь спортивной площадки не описывает все места выхода воздуха. Важен узел соединения мембраны с основанием по периметру: его длина, исполнение и герметичность влияют на количество воздуха, которое необходимо восполнять.

Сооружение размером 60 × 40 м имеет площадь 2 400 м² и периметр 200 м. При размерах 80 × 30 м площадь остаётся прежней, но периметр увеличивается до 220 м. Больший периметр означает больше метров соединения, а не автоматически пропорционально большую утечку.

Фактический расход свежего воздуха зависит также от перепада давления, состояния соединений, входов и других отверстий. Одного периметра недостаточно, чтобы определить количество холодного воздуха, которое придётся нагревать. В энергетическом балансе нужно различать свежий воздух для компенсации утечек и общий расход с учётом рециркуляции.

4. Расчёт расхода воздуха для передачи тепла

Для явного тепла, то есть нагрева без изменения фазового состояния воды, при указанных свойствах воздуха справедливо:

Коэффициент 0,000335 включает перевод часов в секунды. При коэффициенте 0,335 мощность получилась бы в ваттах, а не в киловаттах. Разность 40 К означает нагрев на 40 °C, а не конечную температуру воздуха 40 °C.

Для 350 кВт при нагреве на 40 К получаем 350 / (0,000335 × 40) = примерно 26 119 м³/ч. При нагреве всего на 20 К нужен вдвое больший расход. При 50 К получается около 20 896 м³/ч.

Более сильный нагрев позволяет передать ту же мощность меньшим количеством воздуха, но температуру ограничивает стойкость мембраны и воздуховодов. У описываемого оборудования максимальная температура на подаче составляет +70 °C; при её достижении отопительный агрегат отключается. Используемое полотно плавится при +72 °C. Эти значения относятся к данной комплектации, а не к любой мембране. Температура отключения не является целью обычной работы. Кроме того, слишком горячий воздух поднимается под купол и усиливает температурное расслоение, тогда как у спортивной площадки может оставаться прохладнее. Поэтому в сравнении рассматриваем и более умеренную температуру общего притока +40 °C.

5. Герметичность сооружения определяет возможности рециркуляции

Сначала свежим воздухом необходимо компенсировать утечки; доля рециркуляции — результат баланса. Если при рабочем избыточном давлении сооружение теряет 18 200 м³/ч, а общий приток составляет 26 000 м³/ч, на возвратный воздух остаётся 7 800 м³/ч, то есть 30 %. При этих расходах нельзя выбрать 60 % рециркуляции: свежий воздух уже не компенсировал бы утечки.

Сравним одно и то же модельное сооружение при трёх уровнях герметичности. Общий расход остаётся 26 000 м³/ч, температуры +15 °C внутри и −10 °C снаружи, прочие теплопотери 190 кВт. Меняется утечка при требуемом избыточном давлении, а не произвольно установленный процент открытия заслонки. Более герметичному сооружению нужно меньше свежего воздуха, поэтому возвратный воздух может составлять большую часть общего оборота.

При снижении утечки с 18 200 до 10 400 м³/ч рециркуляция увеличивается с 30 до 60 %, а общая потребность в тепловой мощности падает с 342,4 до 277,1 кВт. Разница 65,3 кВт возникает благодаря меньшему количеству холодного свежего воздуха, а не самому повороту заслонки. При одинаковом общем расходе и давлении большая доля рециркуляции служит полезным показателем лучшей герметичности.

Необходимая температура общего притока во всех трёх строках остаётся +36,8 °C. Её определяют прочие потери 190 кВт и общий расход 26 000 м³/ч: T_прит = 15 + 190 / (0,000335 × 26 000). У более герметичного сооружения входная смесь теплее, поэтому для достижения той же выходной температуры достаточно меньшей мощности отопления.

Открытие возвратной заслонки на 60 % не означает 60 % объёма рециркулируемого воздуха. Положение заслонки и доля расхода не равны; их связь зависит от сопротивления воздушных путей. При утечке 18 200 м³/ч для 60 % рециркуляции потребовался бы общий расход 45 500 м³/ч. Открытие возврата может сдвинуть рабочую точку вентилятора и увеличить общий оборот. Но свежий воздух по-прежнему должен компенсировать утечки при требуемом избыточном давлении. Поэтому долю рециркуляции нельзя вычислить по положению заслонки или только по частоте преобразователя.

Рециркуляция — не рекуперация. При рециркуляции возвращается сам воздух; при рекуперации извлекают тепло из удаляемого потока. В этом балансе возврат тепла уходящего через утечки воздуха не учитывается.

6. Сколько тепла требует компенсация уходящего воздуха

Когда тёплый воздух покидает зал и его заменяет холодный свежий воздух, отопление должно компенсировать разность их температур:

При +15 °C в зале и −10 °C снаружи разность составляет 25 К. Каждые дополнительные 1 000 м³/ч свежего воздуха означают примерно 8,4 кВт тепловой потребности. Для дополнительных 5 000 м³/ч это около 41,9 кВт.

Одинаковое количество подаваемого воздуха при разности 30 К требует вдвое большей мощности, чем при 15 К. Поэтому эксплуатационное значение негерметичности возрастает в холодную погоду, даже если её масштаб не меняется.

Киловатты выражают мощность, а не израсходованную энергию. Если бы дополнительная потребность 8,375 кВт сохранялась десять часов, воздуху было бы передано 83,75 кВт·ч тепла. Покупная энергия зависит также от КПД источника, а годовое потребление — от погоды и продолжительности работы.

Снижение теплопотерь должно всегда учитывать безопасное избыточное давление и необходимый воздухообмен. Цель — не нулевой расход свежего воздуха, а герметичное сооружение с управляемым и работоспособным воздушным режимом.

Как не учесть утечки дважды

Потери теплопередачей через оболочку и потребность в тепле для свежего воздуха можно рассчитывать отдельно. Однако эффективная тепловая характеристика всего сооружения, определённая по эксплуатационным измерениям, уже может включать влияние утечек. Повторное добавление той же составляющей завысило бы результат.

Это различие объясняет статья о коэффициенте U и измерениях воздухоопорных сооружений. В следующем примере прочие теплопотери заданы без свежего воздуха, поэтому обе составляющие можно сложить.

7. Общий пример: одинаковое отопление, два разных расхода

Для модельного сооружения 60 × 40 м выбираем внутреннюю температуру +15 °C, наружную −10 °C и прочие теплопотери 190 кВт, то есть около 79 Вт/м² площади пола, без подачи свежего воздуха. Значение 190 кВт — исходное условие сценария, а не результат, полученный только из размеров сооружения.

Расход свежего воздуха 18 200 м³/ч остаётся одинаковым для обоих вариантов. Установка передаёт воздуху не более 350 кВт, около 146 Вт/м² площади пола. Сравним общие расходы 20 000 и 26 000 м³/ч. Температуру +40 °C используем как сравнительную цель распределения тепла, а не предел отключения агрегата; у описываемой комплектации этот предел составляет +70 °C.

Для нагрева свежего воздуха до температуры зала требуется 0,000335 × 18 200 × 25 = 152,4 кВт. Вместе с прочими потерями 190 кВт общая потребность в отоплении составляет 342,4 кВт. Доступные 350 кВт покрывают её в обоих вариантах. Разница проявляется в необходимой температуре общего притока в зал.

При расходе 20 000 м³/ч и общем притоке +40 °C воздух передаёт сверх уровня температуры зала только 167,5 кВт. Для покрытия прочих потерь 190 кВт необходима температура +43,4 °C. Она ниже предела отключения +70 °C, поэтому при 342,4 кВт этот вариант обеспечивает тепловой баланс. Но если нужно оставаться в пределах цели распределения не выше +40 °C, расхода 20 000 м³/ч недостаточно.

При расходе 26 000 м³/ч достаточно общего притока около +36,8 °C при мощности установки 342,4 кВт. Больший расход позволяет передать необходимое тепло при более низкой температуре. Расход свежего воздуха и потери остаются прежними, поэтому общая тепловая потребность не меняется.

Значение 217,8 кВт в таблице — это теоретическая передача тепла в зал при +40 °C. Однако установка мощностью 350 кВт при расходе 26 000 м³/ч и заданной температуре смеси не достигнет этой температуры: потребовалось бы 370,2 кВт. Достижимая рабочая точка, покрывающая потери, — +36,8 °C при 342,4 кВт. Поэтому расход, мощность и температуру нельзя сочетать как три независимых максимума.

Оба расхода также должны быть достижимы при рабочем давлении. Значение, действующее только при свободном выходе воздуха, не доказывает пригодность для работы с сооружением.

8. Расход должен обеспечиваться при фактическом рабочем давлении

У вентилятора нет одного расхода, действующего при любых обстоятельствах. Его рабочую точку определяют характеристика вентилятора и сопротивление всего воздушного тракта: теплообменника, фильтров, каналов, отводов, заслонок и условий давления в сооружении.

Поэтому максимальный расход при свободном выходе воздуха не обязательно доступен после подключения к залу. При одинаковой частоте вращения большее сопротивление может уменьшить расход. Увеличение частоты вращения может его восстановить, но меняет потребляемую мощность и может столкнуться с пределами двигателя или вентилятора.

Внутреннее избыточное давление сооружения и полное повышение давления на вентиляторе — разные величины. Вентилятор преодолевает также сопротивление воздушного тракта. При сравнении данных нужно различать статическое и полное давление.

Тепловая мощность — не электрическая мощность вентилятора

Вентилятор расходует электричество на перемещение воздуха, а отопление передаёт воздуху тепло. Обе величины выражаются в кВт, но описывают разные процессы. Поэтому тепловая мощность 350 кВт не показывает, сколько электричества потребляет двигатель.

Ориентировочно справедливо P_эл = V̇ × Δp / η, если расход задан в м³/с, повышение давления на вентиляторе — в Па, а КПД всей системы — числом от 0 до 1. Результат получается в ваттах. При расходе 26 000 м³/ч, полном повышении давления 500 Па и КПД 0,60 получается примерно 6,0 кВт.

Значение 500 Па здесь обозначает выбранное повышение давления на вентиляторе, а не рекомендуемое избыточное давление сооружения. Фактическая потребляемая мощность зависит от рабочей точки и КПД системы.

Частота преобразователя как показатель герметичности и резерва агрегата

Оператор видит на преобразователе частоту, управляющую скоростью вращения вентилятора. Если сооружение без рециркуляции удерживает рабочее избыточное давление примерно при 34 Гц вместо номинальных 50 Гц, агрегату не требуется работать на номинальной скорости. При одинаковом требуемом избыточном давлении, положении заслонок и сопоставимых условиях меньшая необходимая частота может указывать на лучшую герметичность. Она также показывает резерв агрегата, но не является прямым измерением утечки или процента рециркуляции.

Ориентировочный пересчёт при 34 Гц даёт примерно 68 % номинального расхода и 31 % номинальной потребляемой мощности. Из 26 000 м³/ч получается около 17 700 м³/ч, а из 6,0 кВт — около 1,9 кВт. Такое снижение мощности показывает, почему выгоднее ограничивать лишние утечки, а не постоянно увеличивать скорость вращения.

Этот кубический пересчёт действует для подобных рабочих точек: одновременно повышение давления снижается примерно до 46 %. При поддержании одинакового избыточного давления в сооружении и изменяющемся сопротивлении фактический расход и электрическую мощность определяют характеристика вентилятора и измерения. Из отношения 34/50 нельзя вывести 32 % рециркуляции, особенно если значение 34 Гц получено в режиме без возвратного воздуха.

Изменение скорости вращения должно учитывать безопасное давление и необходимую передачу тепла. Датчикам и управлению посвящена статья о регулировании давления в воздухоопорных сооружениях.

9. Удаление воздуха при перегреве — другой режим работы

Обычный воздухообмен обеспечивается компенсацией утечек. Отдельная вытяжка используется при перегреве сооружения. Она удаляет тёплый воздух и позволяет заменить его более прохладным свежим. Рециркуляция её не заменяет, поскольку лишь возвращает воздух в оборот.

При +30 °C в зале, +20 °C снаружи и удаляемом и восполняемом расходе 10 000 м³/ч отвод явного тепла составляет около 33,5 кВт. Если снаружи +28 °C, при том же расходе он снижается до 6,7 кВт. Солнечные теплопоступления в сооружение с площадью пола 2 400 м² летним днём могут достигать порядка 100 кВт и более в зависимости от мембраны, солнечного облучения и геометрии. Это сравнение порядков величин: отвод 33,5 кВт при таких поступлениях — лишь частичная помощь, а не полное решение проблемы перегрева.

При одинаковой температуре снаружи и внутри один воздухообмен не отводит явное тепло; если снаружи теплее, он может приносить тепло. Поэтому вытяжка — не кондиционирование. Её эффект зависит от наружной температуры и теплопоступлений в сооружение.

Вытяжной режим должен быть согласован с поддержанием избыточного давления и использовать предусмотренные проектом элементы, а не самовольное открывание аварийных дверей.

10. Что это означает для эксплуатации сооружения

Система вентиляции воздухоопорного сооружения связывает воздушный и тепловой балансы. Более герметичному сооружению нужно меньше свежего воздуха для компенсации утечек и меньше тепла для его нагрева. При этом больший общий оборот позволяет передать необходимое тепло при более низкой температуре воздуха. Указанные значения относятся к установившемуся режиму; прогрев холодного зала требует большей мощности или большего времени.

• Общий приток в зал включает свежий и возвратный воздух. Только свежий воздух восполняет воздух, уходящий наружу.
• Расход и разность температур определяют передаваемую мощность. Температура отключения +70 °C не является целью обычного распределения тепла.
• При разности 25 К каждые дополнительные 1 000 м³/ч свежего воздуха означают около 8,4 кВт тепловой потребности.
• При одинаковом общем расходе и избыточном давлении лучшая герметичность позволяет увеличить рециркуляцию. Само положение заслонки не указывает её долю расхода.
• Расход, давление, мощность и температуры должны вместе образовывать достижимую рабочую точку; частота преобразователя помогает отслеживать её изменения.

Вопросы о расходе воздуха и рециркуляции

Равен ли расход установки подаче наружного воздуха?

Нет. Общий расход может включать наружный и рециркуляционный воздух. При модельных 26 000 м³/ч и 30 % рециркуляции наружный приток составляет 18 200 м³/ч, а возвратный воздух — 7 800 м³/ч.

Какой расход воздуха передаёт тепловую мощность 350 кВт?

При нагреве на 40 К получается 26 119 м³/ч, примерно 26 100 м³/ч; в общей модели используем округлённые 26 000 м³/ч. При другом нагреве необходимый расход изменится. Мощность установки включает также нагрев свежего воздуха, а не только покрытие прочих потерь сооружения.

Почему недостаточно увеличить мощность отопления?

Если расход слишком мал, для передачи большей мощности нужна более высокая температура воздуха. После достижения допустимой температуры притока одно лишь увеличение доступной мощности отопления не снимает это ограничение.

Всегда ли большая рециркуляция снижает энергопотребление?

Решающую роль играют утечки. При одинаковом общем расходе и избыточном давлении более герметичное сооружение позволяет увеличить рециркуляцию и требует меньше тепла для свежего воздуха. При 26 000 м³/ч уменьшение утечки с 18 200 до 10 400 м³/ч увеличивает рециркуляцию с 30 до 60 % и снижает тепловую потребность с 342,4 до 277,1 кВт. Само положение заслонки не является долей расхода.

Каков тепловой эффект дополнительных 1 000 м³/ч наружного воздуха?

При разности температур между залом и улицей 25 К это около 8,4 кВт дополнительной тепловой потребности. Речь о явном тепле без рекуперации, а не об электрической мощности вентилятора или сезонном потреблении.

Как происходит воздухообмен в воздухоопорном сооружении?

Его обеспечивает постоянная подача наружного воздуха для компенсации утечек. Достаточность оценивают также с учётом числа людей и использования зала. Отдельная вытяжка применяется при перегреве; рециркуляция не заменяет наружный приток.