Лучистые и конвективные системы охлаждения воздуха, их влияние на тепловой комфорт в помещении.

Результатом эффективной работы инженеров по проектированию различных климатических систем является создание комфортных условий, способствующих комфортному пребыванию людей в помещении, на изменение микроклимата в котором расходуется минимальное количество энергетических ресурсов. Под оптимальной степенью комфорта нахождения в помещении понимают состояние человека, характеризующееся отсутствием чувства холода или жары.

Выбирая определенную систему охлаждения воздуха, проектировщик может беспокоиться за возможное наличие в помещении зон, пребывание в которых будет вызывать у человека дискомфорт. Чтобы определить, как влияют различные системы охлаждения на посетителей, специалисты Центра исследований микроклимата, представляющие энергетический факультет Датского технического университета, провели эксперименты, которыми мы хотим поделиться в этой статье.

В первую очередь следует отметить существование лучистых, конвективных и комбинированных систем охлаждения воздушного потока внутри помещения. При этом лучистые системы можно смело считать комбинированными по той причине, что лишь около половины их потенциала занимает лучистая составляющая. Использование комбинированных лучисто-конвективных систем заключается в ассимиляции избыточной тепловой энергии. Вместе с тем явную теплоту поглощает лучистая составляющая системы, а скрытую теплоту – вентиляционный воздух, поступающий в помещение посредством самой охладительной системы или непосредственно через воздухораспределительные каналы вентиляционной системы. Конвективные системы охлаждения отличаются преобладанием обмена тепловой энергией через конвекцию.

Температура помещения (t_п) является результатом комбинированного влияния температуры воздушной массы внутри помещения и радиационной температуры помещения на итоговую температурную ситуацию. Она определяется следующим образом:

t_{n =} (f_B + f_R)/2.

Исходя из формулы, f_B является температурой воздуха внутри помещения, а f_R является радиационной температурой помещения. Для определения радиационной температуры помещения – средневзвешенной температуры с учетом площади каждой отдельной окружающей поверхности – необходимо знать формулу:

t_R= ∑F_jt_j/∑F_j.

На основании формулы, F_j является площадью j-й поверхности стены в помещении, а t_j является температурой j-й поверхности стены в помещении.

Обычные условия предполагают равенство показателей t_в и t_R. При этом, если в помещении присутствуют нагретые или охлажденные детали, показатель t_R может иметь значительное отличие от показателя t_в.

Значимость температуры воздушной массы внутри помещения и радиационной температуры является одинаковой по отношению к тепловому комфорту. Если сравнивать конвективную и лучистую системы охлаждения, последняя дает возможность установить аналогичный уровень температуры помещения с учетом более высокой температуры внутреннего воздушного потока. Тем самым, рекомендуется организация таких внутренних условий, при которых помещение будет иметь более низкую температуру в сравнении с температурой внутренней воздушной массы. В результате должен снизиться и уровень энергопотребления.

Высокая производительность конвективной охлаждающей системы может способствовать увеличению риска появления сквозняков. В офисных помещениях, где показатель тепловой нагрузки зачастую находится в пределах 100 Вт/м, проектировщики с трудом находят варианты обеспечения комфортных тепловых условий, которые рекомендуются на основании существующих стандартов. У воды есть свойство более эффективного переноса энергии в сравнении с воздухом по причине более высокой плотности и удельной теплоемкости. В связи с этим использование комбинированных воздушно-водяных охлаждающих систем считается наиболее эффективным. Международная практика предусматривает использование потолочных охлаждающих систем с перемешивающей вентиляцией, климатических балок и климатических балок с интегрированными панелями в зданиях коммерческого назначения. Поступающая в комбинированную воздушно-водяную систему вода зачастую имеет температуру в пределах 14-19 градусов Цельсия со знаком плюс (охлаждающий режим) и порядка 35-40 градусов Цельсия (режим отопления). В результате в таких системах охлаждение может происходить при высокой температуре воды, а отопление – при низкой. Воздушно-водяные охлаждающие системы предполагают использование излучения, конвекции или их сочетания при транспортировке холода или тепла в помещение. Если рассматривать лучистые потолочные панели, конвекция и излучение при их функционировании имеют равные доли. Что касается климатических балок, которые можно рассматривать в качестве полностью воздушных систем, передаче тепловой энергии в них способствует только конвекция.

Лучистые и конвективные охлаждающие системы имеют практически одинаковые тепловые режимы. Такие выводы подтверждены физическими измерениями, которым подвергалась рабочая зона помещения. При этом температура помещения отличалась лишь на 0,2 градуса Цельсия. Кроме того, были поставлены эксперименты с человеческим восприятием параметров внутренней воздушной массы в помещении, где используется лучистая и конвективная системы охлаждения. В результате человеческое тело ощущает тепло почти одинаково при использовании двух типов охлаждающих систем. Идентичность замечена и в приемлемости ощущения тепловой энергии всем телом.

Сравнительные характеристики систем охлаждения лучистого и конвективного типа

Процесс сравнения заключался в анализе параметров внутреннего воздушного потока и человеческой реакции при функционировании четырех охлаждающих систем:

• активной климатической балки;
• активной климатической балки с охлаждающей панелью;
• потолочной охлаждающей системы с перемешивающей вентиляцией,
• четырех локальных охлаждающих панелей с перемешивающей вентиляцией.

Потолочную систему интегрировали с панельной системой Uponor Comfort и разместили внутри подвесного потолка. Доля лучистого потолка в общей площади потолочной поверхности составила не больше 77 процентов. На верхней поверхности потолочной плитки отсутствовала теплоизоляция. Для поступления приточной воздушной массы использовались щелевые диффузоры Halton SLN-472 (2 штуки). Использование климатической балки Halton CBR-2700-2100 наблюдалось в активной климатической балке и активной климатической балке с охлаждающей панелью. При этом второй вариант не предусматривал циркуляцию воды во внутренней части фронтальной панели климатической балки. Отметим, что панель климатической балки имела площадь, равную 3,6 квадратным метрам. Проведение экспериментов с охлаждающей потолочной поверхностью предполагало удаление климатической балки с потолка. Локальное охлаждение осуществлялось благодаря панелям PURMO Hygiene. Работа локальных охлаждающих панелей с перемешивающей вентиляцией сопровождалась подачей увеличенного объема приточного воздушного потока. Такая процедура понадобилась, чтобы компенсировать уменьшенную охлаждающую производительность локальных панелей.

Для поддержания установившихся условий и температуры воздушной массы на уровне 26 градусов Цельсия использовалась испытательная комната площадью 17,3 квадратных метра, высота потолка в которой составила 2,89 метра. Она была смоделирована как офисное помещение, рассчитанное на двух сотрудников. Во время измерительных процедур использовалась тепловая нагрузка, равная 64 Вт/м² при расчетных условиях и 38 Вт/м²при обычных. Источником тепловой нагрузки были два человека, компьютерная техника, осветительные устройства и тепловая энергия, которая поступала посредством оконных проемов и зоны пола, расположенного под этими проемами. Все случаи предполагали температуру приточной воздушной массы на уровне 16 градусов Цельсия и температуру охлаждающей жидкости в пределах 15 градусов Цельсия. При этом обратная вода имела температуру, отличную от температуры входящей воды на 2-3 градуса Цельсия.

Параметры внутренней воздушной массы

Эксперимент заключался в проведении измерений температуры внутренней воздушной массы, а также расчете уровней сквозняка на 8 условных высотных уровнях помещения с учетом 25 точек рабочей зоны. Кроме того, измерялась скорость и турбулентность, а также температура внутри стен помещения.

Для просмотра средних значений параметров внутренней воздушной массы можно использовать таблицу 1. Все четыре системы продемонстрировали схожесть в плане средних скоростей внутреннего воздушного потока. Самый большой скоростной диапазон зафиксирован в пределах 0,2-0,25 м/с. Отметим, что данные показатели находятся в приемлемом диапазоне.

Все четыре испытанные охлаждающие системы дали практически одинаковый результат по средней температуре внутренней воздушной массы и температуре помещения. Что касается радиационной температуры, ее значение отличалось на 0,2 градуса Цельсия при сравнении охлаждающей системы потолочного типа и климатической балки. Такое отклонение можно отнести к недочетам измерительного оборудования. Отметим, что все случаи предполагали повышенную температуру помещения по отношению к температуре внутренней воздушной массы.

Незначительная разница результатов испытываемых систем охлаждения связана с:

• относительно высоким уровнем температуры лучистой поверхности;
• разнонаправленным распространением по помещению приточного и конвективного воздушных потоков.

При работе всех систем особенно заметен эффект, созданный конвективным потоком. Для этого следует обратить внимание на горизонтальный градиент температуры внутренней воздушной массы. В частности, температурный режим в противоположных концах помещения не совпадает (расчетные условия дают отклонение 1-1,2 градуса Цельсия, а обычные – 0,7 градуса). При этом низкий показатель вертикального градиента температур наблюдался во всех системах.

Итоги эксперимента

Для проведения эксперимента были выбраны 24 человека мужского и женского пола, которые разделились на две равных группы. Перед участниками стояла задача реагировать на изменяющийся внутренний воздух, который производили четыре системы охлаждения. Для проведения исследования выделялись 60 минут. Организаторы эксперимента предусмотрели случайный порядок воздействия четырех систем. Участников не предупредили о работе той или иной системы. Людей попросили отмечать тепловое ощущение и локальное тепловое ощущение, используя 7-балльную шкалу ощущения теплового комфорта ASHRAE. Согласно ей, человеку необходимо указать чувство холода, прохлады, легкой прохлады, отсутствия холода и тепла, легкого тепла, тепла или жары. Что касается приемлемости испытанных тепловых ощущений, для ее оценки использовалась шкала приемлемости, отражающая явную неприемлемость, незначительную неприемлемость, незначительную приемлемость и явную приемлемость.

После получения результатов стало ясно, что работа всех четырех систем охлаждения сопровождается похожей эффективностью в плане тепловых ощущений. Так, шкала EN15251-2007 отобразила ощущения, находящиеся среди нейтральных и слегка теплых. Склонность женских тепловых ощущений находилась возле нейтральной отметки, а мужских – рядом с отметкой, соответствующей ощущению незначительного тепла. Если говорить о приемлемости ощущений, для измерения данного параметра также использовалась шкала EN15251-2007. При этом результаты склонялись к отметке «явно приемлемо», независимо от гендерного признака.

Таблица 1. Средние значения результатов эксперимента для помещения офисного типа, учитывая расчетные (выделены жирным шрифтом) и обычные условия (выделены обычным шрифтом)

Сравнивая средний уровень по каждому эксперименту можно увидеть, что четыре испытанные системы продемонстрировали практически одинаковые результаты. Их функциональность способствует поддержанию тепловых ощущений участников исследования в пределах нейтрального уровня и ощущения минимального тепла.

При рассмотрении среднего уровня тепловых ощущений мужчин и женщин ученые определили, что во время испытания всех четырех систем представители женского пола чувствовали большую прохладу, нежели мужчины. Это означает склонность их ощущений к нейтральной отметке. Отметим, что три системы охлаждения показали идентичные результаты. Ощущения женщин к прохладе проявлялись при использовании потолочной охлаждающей системы с перемешивающей вентиляцией.

Если говорить о приемлемости тепловых ощущений людей, приобщенных к проведению эксперимента, все четыре охлаждающие системы демонстрировали показатели, близкие к явно приемлемым. В данном аспекте существенные различия между системами не наблюдались.

Представителям женского и мужского пола удалось на собственном примере дать объективную оценку приемлемости тепловых ощущений: все четыре системы позволили добиться явно приемлемых ощущений тепла.

Подведение итогов

В результате проведенных экспериментов можно сделать вывод, что конвективные и лучистые системы обеспечивают аналогичные тепловые условия.

Важность полученных данных заключается в том, что показатель температуры внутренней воздушной массы и температуры помещения является практически одинаковым для систем конвективного и комбинированного конвективного и лучистого типа. Полученные результаты не подтвердили ожидания, что система с охлаждающей потолочной поверхностью в большей степени охладит помещение по сравнению с системой, включающей локальные охлаждающие панели.

На основе материалов из журнала "АВОК"