Воздухораспределение: расчёт струи и скорости в рабочей зоне

Воздухораспределение — та часть вентиляции, где расчёт чаще всего пропускают. Систему собирают из типовых решёток, включают и обнаруживают: в одной комнате дует, в другой воздух не доходит. Причина не в вентиляторе, а в струе — в том, как она затухает по длине и куда отклоняется.

Ниже — как посчитать затухание скорости и температуры, определить дальнобойность, подобрать число распределителей и не получить сквозняк в рабочей зоне.

Как ведёт себя струя

Струя, выходящая из решётки, вовлекает в движение окружающий воздух. Её масса растёт, скорость падает, и это падение описывается закономерностью, общей для всех свободных затопленных струй.

Для компактной струи затухание описывается классической зависимостью:

Зависимость показывает главное: скорость падает не с расстоянием, а с отношением расстояния к диаметру. Увеличить диаметр выпуска вдвое — значит получить ту же скорость вдвое дальше.

Температура затухает быстрее скорости — для компактной струи примерно в 0,73 раза:

Это значит, что струя, потерявшая половину скорости, потеряла почти две трети температурного напора. Дальняя часть комнаты получает воздух почти комнатной температуры.

Скорость в рабочей зоне

Рабочая зона — пространство высотой до 2 м от пола, где находятся люди. Именно там нормируется подвижность воздуха.

Расчёт ведут от выпуска до рабочей зоны. Если решётка стоит на высоте 2,7 м, а человек сидит, расстояние по вертикали — около 1 м, но струя идёт под углом и доходит до зоны на большем пути.

Числовой пример

Свои значения можно подставить в калькуляторе — он считает затухание струи, скорость и температуру в рабочей зоне, дальнобойность и нужное число распределителей.

Дано: комната 20 м², потолочный диффузор с расходом 150 м³/ч и скоростью выхода 2 м/с, расстояние до рабочей зоны 3 м, приток 18 °С, в помещении 22 °С, норма подвижности 0,2 м/с.

Шаг 1. Площадь выпускного сечения:

F₀ = 150/(3600 · 2) = 0,0208 м² = 208 см²

Шаг 2. Характерный размер выпуска:

d₀ = √(4 · 0,0208/3,14) = 0,163 м = 163 мм

Шаг 3. Затухание скорости на 3 м. Для веерной струи потолочного диффузора:

ν_х/ν₀ = 2,0 · √0,0208/3 = 0,096

Шаг 4. Скорость в рабочей зоне:

ν_рз = 2,0 · 0,096 = 0,19 м/с

Это ниже нормы 0,2 м/с — в зоне пребывания человека сквозняка нет.

Шаг 5. Избыточная температура в рабочей зоне:

Δt₀ = 18 − 22 = −4 °С

Δt_рз = −4 · 0,73 · 0,096 = −0,3 °С

До рабочей зоны воздух доходит почти комнатной температуры: 21,7 °С.

Шаг 6. Дальнобойность до нормируемой скорости — 2,9 м. Это меньше расстояния до рабочей зоны (3 м), то есть струя затухает раньше, чем дойдёт до человека. Хорошо для комфорта, но означает, что дальний угол комнаты струя не перемешает: там нужен отдельный выпуск или вытяжка.

Шаг 7. Критерий Архимеда при d₀ = 0,163 м, Δt₀ = −4 °С и ν₀ = 2 м/с:

Ar = 9,81 · 0,163 · 4/(2² · 295) = 0,0054

Признак отрыва Ar·(x/d₀)² = 0,0054 · (3/0,163)² = 1,84 — холодная струя заметно опускается в рабочую зону. При подаче воздуха ниже температуры помещения это ожидаемо и скорее полезно: прохладный воздух сам приходит в зону пребывания людей.

Неизотермическая струя

Тёплая струя всплывает, холодная опускается. Это не дефект, а физика: разница плотностей создаёт подъёмную силу, которая отклоняет струю от первоначального направления.

Критерий Архимеда показывает соотношение подъёмной силы и инерции струи:

Практический признак отклонения — произведение Ar·(x/d₀)². При значении меньше 0,4 струя идёт по расчётной траектории; при большем — отклоняется.

Практическое следствие: тёплую приточную струю направляют вниз, холодную — вверх. Это позволяет доставить воздух в рабочую зону, не увеличивая скорость.

Шум

Шум воздухораспределителя определяется скоростью в живом сечении, а не расходом. Приблизительно уровень звука растёт как 22·lg отношения скоростей.

Подбор числа распределителей

Число распределителей определяется из условия, что скорость в рабочей зоне не превышает норму.

Логика подбора: при большем числе выпусков расход на каждый падает, а значит, при той же скорости выхода уменьшается площадь выпуска и его характерный размер. Меньший размер означает более быстрое затухание — и норму удаётся выдержать.

Для нашего примера при расходе 150 м³/ч достаточно одного диффузора. Но если бы тот же расход составлял 600 м³/ч, площадь выпуска выросла бы вчетверо, а затухание замедлилось: скорость в зоне оказалась бы выше нормы, и потребовалось бы три-четыре распределителя либо один выпуск большого диаметра.

Таблица объясняет, почему в больших помещениях ставят много решёток: один выпуск на 1200 м³/ч даёт в рабочей зоне скорость, втрое превышающую норму.

Схемы подачи

Вытесняющая вентиляция — отдельный случай: воздух подаётся в рабочую зону с малой скоростью и малой избыточной температурой, а удаляется сверху. Скорость подачи при этом составляет 0,2–0,5 м/с, а не 2–3 м/с, как при перемешивающей.

Расчёт перемешивающей вентиляции разобран здесь, вытесняющей — в статье про приточную вентиляцию.

Что делать с дальнобойностью

Дальнобойность — расстояние, на котором скорость падает до нормируемой. С ней связаны две противоположные ошибки.

Дальнобойность больше расстояния до рабочей зоны. В зоне пребывания человека скорость выше нормы, ощущается сквозняк. Лечится увеличением числа выпусков или сечения, снижением скорости выхода, переносом решётки дальше от людей.

Дальнобойность меньше расстояния до дальней стены. Воздух не доходит до угла, там застаивается и накапливается влага. В жилых комнатах это приводит к конденсату на стенах и плесени в углах. Лечится установкой дополнительного выпуска или перераспределением расхода.

Оптимальный случай — дальнобойность чуть меньше расстояния до рабочей зоны, но больше половины длины помещения. Тогда в зоне комфортно, а воздух по комнате всё же перемешивается.

Частые ошибки

Расчёт по расходу, а не по скорости. Шум и сквозняк определяются скоростью в сечении, а не объёмом воздуха. Один и тот же расход через разные решётки даёт разницу в уровне шума на 10 дБ.

Расстояние до рабочей зоны по вертикали. Струя идёт по потолку и только потом опускается: реальный путь в 2–3 раза больше. Расчёт по высоте завышает требуемое число распределителей.

Одинаковые решётки на разные помещения. Комната 20 м² и кухня 8 м² получают одинаковый типоразмер, и в маленькой комнате оказывается сквозняк. Типоразмер подбирают по расходу и норме подвижности для каждого помещения.

Тёплый приток вверх. При подаче под потолком тёплый воздух остаётся у потолка, а в зоне пребывания людей холодно. Тёплую струю направляют вниз или в рабочую зону.

Игнорирование взаимного влияния струй. Две близко расположенные струи сливаются, и суммарная дальнобойность оказывается больше, чем у каждой по отдельности. Это может дать сквозняк там, где по расчёту его быть не должно.

Отсутствие вытяжки в зоне подачи. Приток без организованной вытяжки растекается по всему помещению, и в дальнем углу воздух не обновляется.

Подбор по паспортной дальнобойности. Паспортная дальнобойность приводится для изотермической струи. При перепаде температур 5–10 °С реальная дальнобойность отличается на 20–30 %.

Частые вопросы

Какая скорость воздуха допустима в рабочей зоне?

По ГОСТ 30494-2011 в холодный период в жилых комнатах оптимальная подвижность воздуха — не выше 0,15 м/с, допустимая — 0,2 м/с. Для офисов допустимо 0,2 м/с, для производственных помещений — 0,3 м/с, для горячих цехов — до 0,5 м/с. Летом нормы выше примерно на 0,1 м/с.

Почему в комнате дует, хотя вентиляция работает нормально?

Потому что струя не успевает затухнуть до рабочей зоны. Скорость на выходе из решётки 3 м/с на расстоянии 3 м падает всего до 0,5–1 м/с, а норма — 0,2 м/с. Причина в слишком малом сечении выпуска или в близости решётки к зоне пребывания людей.

Что такое дальнобойность струи?

Расстояние от выпуска, на котором скорость струи падает до нормируемого значения. Если дальнобойность больше расстояния до рабочей зоны, в зоне будет сквозняк. Если меньше — воздух не доходит и в дальнем углу застаивается.

Как влияет температура приточной струи на её траекторию?

Неизотермическая струя отклоняется: тёплая всплывает к потолку, холодная опускается вниз. Направление отклонения определяется критерием Архимеда — отношением подъёмной силы к инерции струи. Управляют этим либо уменьшением перепада температур, либо изменением скорости выхода.

Почему при малом расходе струя всё равно шумит?

Шум определяется не расходом, а скоростью в живом сечении. При одном и том же расходе маленькая решётка даёт высокую скорость и шум, большая — низкую. Уровень шума растёт примерно как 22·lg отношения скоростей: снижение скорости с 5 до 3 м/с уменьшает шум на 5 дБ.

Сколько воздухораспределителей нужно на комнату?

Столько, чтобы скорость в рабочей зоне не превышала норму. При расходе 150 м³/ч и скорости выхода 2 м/с одного потолочного диффузора достаточно для комнаты 20 м². Если расход 600 м³/ч через одно сопло, скорость в зоне окажется выше нормы — нужно либо несколько распределителей, либо выпуск большего сечения.

Заключение

Воздухораспределение считается от струи: как она затухает по длине, куда отклоняется и с какой скоростью приходит в зону пребывания людей.

Порядок работы: определить нормируемую подвижность воздуха для помещения, задать расход и скорость выхода, посчитать площадь выпуска и его характерный размер, определить затухание скорости и температуры на расстоянии до рабочей зоны, сравнить со нормой, проверить дальнобойность и отклонение струи по критерию Архимеда, при необходимости увеличить число распределителей и проверить шум.

Главное, что стоит запомнить: скорость в рабочей зоне зависит от отношения расстояния к размеру выпуска, а не от одного расстояния, и увеличить выпуск почти всегда дешевле, чем ставить дополнительные распределители. Дальше по цепочке: балансировка расходов между ветками — в статье про балансировку вентиляции; общее устройство систем — в статье про вентиляцию; подбор приточной установки — в статье про приточную вентиляцию; потери давления в сети — в статье про аэродинамический расчёт воздуховодов.