Воздушно-тепловые завесы - сквозняк остается на улице

Тенденция перехода от совершения покупок по необходимости к "шопингу" как средству проведения досуга потребовала новой стратегии стимулирования продаж. Во многих больших и малых магазинах двери открыты зимой и летом, обеспечивая неограниченный обзор выставленных товаров и привлекая поток покупателей.

Тестирование оборудования воздушных завес

Тенденция перехода от совершения покупок по необходимости к "шопингу" как средству проведения досуга потребовала новой стратегии стимулирования продаж. Во многих больших и малых магазинах двери открыты зимой и летом, обеспечивая неограниченный обзор выставленных товаров и привлекая поток покупателей. Разумеется, при этом - как в торговых пассажах, так и в промышленных помещениях (например, при открытых дверях складов и цехов) - неизбежно возникает проблема сквозняков. Они появляются в результате нежелательного проникновения в помещение холодного наружного воздуха. Однако, благодаря использованию воздушно-тепловых завес, через открытую дверь в помещение с товарами попадает только потенциальный покупатель, но не холодный воздух.

Большой практический интерес представляет изучение условий функционирования невидимой завесы, защищающей помещение от сквозняков, чему и посвящена эта исследовательская работа.

Разработка и оптимизация

За два прошедших десятилетия технология воздушных завес ушла далеко вперед. Современные воздушные завесы (рис. 1) обеспечивают эффективное экранирование помещения, используя для этого минимальный объем обработанного воздуха, что уменьшает расход теплоэнергии. Фирма Kampmann GmbH, являющаяся признанным изготовителем инновационных воздушных завес, заинтересована в их дальнейшем совершенствовании как в плане потребления электроэнергии, так и в плане их воздушно-технической эффективности. В этой связи особую роль играет поколение вновь разработанных воздушных завес тандемной конструкции (рис. 2). Они, не снижая комфорта, расходуют существенно меньше теплоэнергии.

Серия испытаний в независимой организации

В этом году в рамках исследовательских работ фирма Kampmann GmbH поручила специальному ВУЗу (г. Гельзенкирхен) провести обширное тестирование различных воздушных завес. В качестве испытуемых образцов были взяты стандартные устройства, экранирующие открытые дверные проемы воздушно-тепловым потоком, создаваемым с помощью вентиляторов. Затем были испытаны тандемные воздушные завесы (рис. 3), состоящие их двух расположенных один за другим независимо управляемых вентиляторов. Такое решение оптимизирует расход электроэнергии при экранировании дверных проемов большой высоты и ширины. Принцип действия тандемной воздушной завесы состоит в следующем: со стороны наружного воздуха создается первый воздушный поток комнатной температуры, а со стороны помещения - второй теплый воздушный поток, обеспечивающий комфортный микроклимат. Тандемная завеса характеризуется эффективным экранированием при небольшой теплопроизводительности.

Задача исследовательской работы состояла в том, чтобы изучить возникающие в процессе эксплуатации завесы сложные зависимости между расходом, скоростью и температурой выпускаемого воздуха, высотой и шириной дверного проема, а также внутренними и внешними климатическими условиями под влиянием внешних возмущающих воздействий. По результатам комплексных измерений нужно было создать максимально полную базу данных, позволяющую сделать выводы относительно условий эксплуатации воздушных завес при различных внутренних и внешних условиях. Кроме того, эти материалы нужны для сравнения теоретических и опытных данных. Обобщение различных параметров должно в будущем позволить еще более точно проектировать конфигурацию тепловых завес - как типоразмеров самих агрегатов, так и соответствующих вентиляторов для них.

Оборудование для проведения опытов, выполнение измерений

В ходе подготовки к исследовательской работе была составлена модульная сетка высоты и ширины проемов дверей. Особое значение придавалось определению расхода воздуха, скорости и распределению воздушной струи по глубине и ширине, температуре воздуха и акустическим параметрам при различных производительностях завес.

Испытательный стенд был построен в зале с точным пространственным воспроизведением наружной и внутренней зон (рис. 4). Перед стендом был установлен имитатор ветрового давления.

Воздушно-тепловые завесы: комплексное формирование комфортных микроклиматических условий в помещении

В условиях холодной зимы, при открывании входной двери разность между температурой наружного воздуха и температурой воздуха внутри помещения вызывает приток в помещение холодного воздуха вблизи пола и выход из него теплого воздуха через верхнюю часть дверного проема (рис. 5). В летнее время этот эффект проявляется противоположным образом. При этом на воздухообмен влияют погодные условия, сила и направление ветра. Данный физический процесс воспринимается как неприятный сквозняк.

Кроме того, в силу особенностей самого здания (наличие шахт, выполняющих роль вертикальных труб, схема принудительной вентиляции) неконтролируемые холодные воздушные потоки могут принимать определенные установившиеся направления внутри него.

Воздушная завеса действует как невидимая стена между наружной и внутренней зонами. Ее задача заключается в том, чтобы препятствовать проникновению наружного воздуха и тем самым разделить наружную и внутреннюю климатические зоны. При этом важно добиться минимального расхода электроэнергии и получить небольшую скорость воздуха на выходе из завесы.

Поступающий наружный воздух интенсивно перемешивается с теплым воздушным потоком. В результате опускающийся холодный воздух нагревается около пола и более не воспринимается как сквозняк. Кроме того, благодаря постоянной фильтрации всасываемого воздуха получается дополнительный благоприятный эффект - улучшение качества воздуха в помещении.

Рис. 5. Неконтролируемое поступление наружного воздуха при отсутствии воздушной завесы	Рис. 6. Контролируемое экранирование с помощью воздушной завесы

Теплый воздушный поток подается сверху или сбоку дверного проема таким образом, что создается постоянная завеса по всей его ширине или высоте. Завеса противодействует поступлению холодного воздуха. При этом, в зависимости от силы и направления ветра, захватывается часть холодного воздуха. После смешивания с теплым воздушным потоком в нижней зоне, подогретый таким образом наружный воздух поступает в помещение. Воздушная завеса минимизирует потери теплоты, не пропуская холодный воздух и используя аэродинамический нагрев в зоне потолка. Теплота, выделяемая при работе завесы, не теряется: при благоприятном соотношении давлений наружного воздуха и воздуха в помещении и при несильном встречном ветре, теплота в основном идет на поддержание комфортной температуры воздуха в помещении.

В проведенной серии опытов были испытаны различные конструкции воздушных тепловых завес. Все завесы испытывались в одинаковых условиях. В ходе проведенной серии опытов на стенде имитировались дверные проемы различной высоты. Ширина проема точно соответствовала ширине воздушной завесы, которая закреплялась непосредственно над проемом. Датчики и измерительные приборы были размещены на перемещаемой по высоте тележке, что позволило снимать данные в любом месте модульной измерительной сетки.

Регистрация результатов измерений и обработка данных осуществлялись с помощью специальной компьютерной программы. Программа позволяла получить комплексные результаты измерений глубины проникновения воздушного потока, векторов скоростей и профилей температур (изотерм) в виде диаграмм для различных воздушных завес.

Результаты испытаний и выводы

На рис. 7 и 8 показаны изотермы, полученные в результате серии сравнительных измерений стандартной (рис. 7) и тандемной (рис. 8) воздушных завес. Воздушная завеса была закреплена на высоте 2,5 метра. Условия измерений были одинаковыми. На рисунках по оси Y указана высота точек измерений (м) от нижней кромки воздуховыпускной решетки (=0) до уровня пола (= 2,5). По оси X указано распространение воздушной струи в метрах во внешнюю и внутреннюю зоны. Точка "0" соответствует середине воздуховыпускной решетки. Изотермы с соответствующими константами t выделены цветом. С помощью имитатора ветрового давления в дверной проем подавался воздушный поток, являющийся возмущающим воздействием.

Конфигурация изотерм обычной завесы представлена для максимальной (5-й) частоты вращения вентилятора. На этой ступени воздушный поток обычной завесы достигает уровня пола. Ясно видно смещение изотерм 1,5К…3К по высоте и при распространении воздушной струи между наружной и внутренними зонами. Хорошее экранирующее действие обеспечивается только при работе вентилятора на высшей частоте вращения. При переходе на пониженные частоты соответствующие изотермы изгибаются в сторону внутренней зоны, так что воздушный поток не достигает пола и не может полностью воспрепятствовать поступлению наружного воздуха.

Конфигурация изотерм тандемной дверной завесы представлена для средней (3-й) частоты вращения вентилятора. На рисунке хорошо видна направленная компактная и равномерная воздушная струя от воздуховыпускной решетки до пола, с незначительной турбулентностью на участке расширения. Изотермы показывают улучшенное проникновение воздушной струи в сторону пола, распространение струи первой завесы в наружную зону, а струи теплого воздуха - во внутреннюю зону. Тем самым полный экранирующий эффект достигается уже на указанной средней частоте вращения вентилятора. Производительность по воздуху была в данном случае на 35%, а теплопроизводительность - на 38% меньше. Изотермы имеют во внутренней зоне сходную конфигурацию, так что меньшая мощность означает экономию электроэнергии по сравнению с обычным агрегатом. Таким образом, тандемные воздушные завесы наилучшим образом подходят для экранирования дверных проемов большой высоты. Кроме того, используя независимое управление вентиляторами первой и второй завес, можно настроить тепловую завесу под конкретные условия.

В заключение остается сказать, что данная исследовательская работа значительно расширила наше представление об эффективности воздушно-тепловых завес. В результате серии сравнительных опытов с воздушными завесами обычной конструкции, стали очевидными преимущества тандемной завесы.