Оценка точности установления количества используемого воздуха в вентиляционных системах при их паспортизации

Запуск и регулировкавентиляционных систем, а также паспортизация выполняются, исходя из требований, прописанных в таких документах:

• ГОСТ 12.3.018-79;

• СП 73.13330.2012.

В первом документе представлены требования, относящиеся к подготовке и проведению испытаний, а также к аппаратуре, которая используетсядля измерения скоростей воздушного потока. ГОСТом определено расположение мерного сечения, а также количественный показатель точек замера, их местонахождение. Документ содержит информацию о том, как рассчитать погрешность вычисления расхода воздуха, исходя из того, какова специфика конкретного испытания в зависимости от оборудования, показателей-характеристик мерного сечения, погоды.

Во втором документеопределен максимальный показатель расхождения действительно использованного воздуха от заложенного в проектной документации, он не должен превышать ±8 %. Но практика показывает, что во время проведения аэродинамических измерений названный критерий получить удается не всегда. Однако это является причиной для того, чтобы вентиляционная система не была принята в эксплуатацию со всеми последующими выводами и проблемами. Причин, вызвавших несоответствия, много, однако ответственность за все несет та организация, которая монтировала вентиляцию.

Стоит отметить, что в данной ситуации возникают некоторые вопросы. Можно ли на 100% выполнить приведенные во втором документетребования, если производить замеры при нестандартных условиях? Есть ли объективные причины, чтобы пересмотреть нормативный показатель ±8 %? Некоторые размышления по данным проблемам предлагаются в статье.

Причины отклонений

Существует достаточно много причин, которые вызывают несоответствие в показателях между заложенным в проекте расходом воздуха и реальным. К тому же, многие из них никак не зависят от того, насколько качественно установлена вентиляция, а также от профессионализма и технической квалификации обслуживающего персонала. Рассмотрим подробнее.

1. Количество проходящего воздуха в вентиляционной системе зависит от того, насколько сильное аэродинамическое сопротивление. Во время проектирования выполняется расчет проектного расхода воздуха, а также сопротивления воздушных магистралей. Используя полученные данные, подбирают нужный вентилятор. При установке системы вентиляции может оказаться, что ее реальные размеры не полностью совпадают с проектными. Длина некоторых воздухопроводов может быть немного больше или меньше, а радиусы поворота отводов – несколько круче, что будет вызывать большее сопротивление. Так как воздухопроводы и фасонные части имеют конструктивные допуски, то производители могут предлагать продукцию, имеющую разные размеры. Стенки каналов отличаются и по шероховатости, которая может несколько не соответствовать проектным требованиям. Хотя перечисленные отклонения и не являются существенными, но вместе взятые они могут вызвать несоответствие в показателях реального расхода воздуха и проектного.

2. Допуски, заложенные при монтаже вентиляции, могут приводить к отклонению от номинальных параметров поступающего воздуха. Эти отклонения, установленные ГОСТ ИСО 5802–2012, могут доходить до ±1,5 % от объема подаваемого воздуха.

3. Вентиляционные установки производятся открытыми, поэтому на них воздействуют изменения, происходящие в окружающей среде. Разберем на примере. В зимнее время года, когда на улице мороз, а в помещении работает отопление, возникает перепад температур и высот. Это способствует возникновению естественной тяги из помещения, что при включенной вентиляции вызывает дополнительное сопротивление, уменьшая расход подаваемого воздуха.

Если вблизи системы вентиляции возникают порывы ветра, то статическое давление изменяется. В результате этого происходит колебание воздушного потока, что вызывает изменение скорости воздуха в мерном сечении. Именно поэтому, если аэродинамические испытания проводятся в ветреную погоду, их точность может снижаться. Изменение показателей давления, температуры, влажности воздуха, скорости ветра и его направления влияет на количество воздуха, расходуемого открытой вентиляционной системой.

4. Большое количество погрешностей также связано и с методикой проведения испытаний и техникой выполнения замеров. Возникающие изменения напрямую зависят от того, насколько точны показания приборов и правильно выбрано мерное сечение, от размещения измерительного инструмента и других параметров.

Определение погрешности по ГОСТ 12.3.018-79

Максимально допустимая относительная неточность вычисления потребляемого воздуха поназванному выше документу выражаетсяв процентах и исчисляется по формуле: δL = (2σL + δφ), (1)

где δφ – предельно допустимая относительная погрешность установления количества расходуемого воздуха, которая связана с тем, чтораспределение скоростей в мерном сечении неравномерное;

      σL – величина среднеквадратичной неточности, которая связана спогрешностью измерений, проводимых в ходе испытаний.

Величина погрешности δφ зависит от конструктивной особенности воздухопровода, числа точек измерения и интервала, определяемого между местом возмущения потока воздуха и мерным сечением. В таблице 1 представлены показатели погрешности δφ, регламентируемые выше названным документом.

Геометрия мерного сечения	Количественный показатель точекзамеров		δ, %, при длине от места возмущения воздушного потока до мерного сечения в гидравлических диаметрах Dh 1 2 3 5 больше 5
Круг		4		20	16	12	6	3
		8		16	12	10	5	2
		12		12	8	6	3	2
Прямоугольник		4		24	20	15	8	4
		16		12	8	6	3	2

По данным, приведенным в таблице 1, погрешность по расходу воздуха, которая связана с неравномерностью профиля скорости в воздушных магистралях, если мерное сечение находится на протяженности 3 гидравлических диаметров от места возмущения воздушного потока, можетдостигать 15 %.Для определения значения погрешности σLприменяется формула: σL=(4∙σD2+(1/4)∙ σB2+(1/4)∙ σt2+(1/4)∙ σp2)0,5,(2)                                  

σp, σB, σt – среднеквадратичные погрешности вычислений динамического давления Pd потока, барометрического давления Ba, температуры t потока;

        σD – среднеквадратичная погрешность вычисления размеров мерного сечения воздухопровода; при 10 см ≤Dh30 см величина σD равняется ±3 %, при Dh > 30 см величина σD соответствует показателю ±2 %.

Показатели σp, σB, σt прописаны в таблице 2.

Данные измерения сприбора  в долях длины шкалы σp, σB, σt, %,  для приборов класса точности один (±) 0,5 (±) один 0,5 0,25 0,75 0,7 0,24 0,50 один 0,5 0,25 два один 0,10 пять 2,5 0,05 десять пять

Из таблицы 2 наглядно видно,что показатели погрешностей напрямую связаны с классом точности устройства, а также от того, где на шкале располагается значение скорости, которое замеряется. В настоящее время предлагаются приборы с повышенным классом точности. Они дают более точный результат даже при вычислении скорости воздуха в начальном диапазоне шкалы. Этот фактор мог послужить причиной к уменьшению допустимого отклонения с ±10 % (применялось до 2012 года) до ±8 %.

Рассмотрим на примере расчетпредельной погрешности вычисления количества расходуемого воздуха.

«… Мерное сечение находится на отдалении 3 диаметров за коленом воздухопровода, который имеет диаметр 300 мм. Замеры осуществляют с применением комбинированного приемника давления в восьми точках мерного сечения. Класс точности таких устройств, как: дифманометр, барометр, термометр составляет 1,0. Отсчитывания по нимвыполняются приблизительно в середине шкалы. Предельно допустимая относительная погрешность вычисленияиспользуемого воздуха в % составит: δL = 2(4∙32+(1/4)∙1+(1/4)∙1+(1/4)∙1)0,5+10 = +-12+10 = +22,-2% .  

Из этого следует, что при проведении аэродинамических исследований рекомендуемая в ГОСТ 12.3.018–79 методика частопревышаетпогрешность, допустимую в СП 73.13330.2012. относительно проектных требований. Бывают случаи превышения погрешности более 20 %.

Как влияют турбулентные пульсации

Восприимчивость измерительных устройств, применяемых для определения скорости движения воздуха в воздушных магистралях, в последние годы существенно увеличилась. В настоящее время приборы реагируют даже на пульсации турбулентного потока, которые могут повлиять на погрешность при измерениях.

Вычислим погрешность, которую вносят турбулентные пульсации потока. На данном рисунке (№1) показан принципиальный график, на котором видны варьированияпродольной составляющей мгновенной скорости в разных пунктах сечения, зависящие от временного промежутка.

Рис. 1 Пульсации продольной скорости в разных местах сечения в зависимости от времени

Из рисунка 1 очевидно, что мгновенную скорость в конкретной точке пространства можно определить в виде суммы усредненной по времени и пульсации скорости, применяя данную формулу:u(t) = ū(t)+u’(t), (3)

Теория Прандтля гласит, что пульсационная составляющая продольной скорости потока прямо зависит от пути смешения и градиента продольной скорости от оси к стенке. Траектория смешения - эторасстояние пробега макроскопического турбулентного количества жидкости или газа, вычисляемое при помощи формулы: l = ky, (4)

k – неизменяемая величина, k = 0,4;

 y – промежуток, который определяется от корпуса трубопровода до любой точки сечения.

Пульсационнаячасть определяется так:u’ = l∙(du/dy), (5)

Согласно с теорией Прандтля, абсолютная величина пульсации скорости возрастает от корпуса канала к его оси. А отношение пульсационнойкомпанующей скорости к осредненной по времени скорости в любом месте сечения, выраженное в процентах, будет иметь постоянную величинудля потока с установленными параметрами: Δu’ = u’∙100%/u, (6)  

Показатели, полученные в результате калькуляции пульсационной составляющей скорости, зависящей от скорости воздуха в воздушных магистралях,имеющих круглое сечение с диаметром 400 мм,даны в таблице 3. Следует отметить, что профиль скорости в воздухопроводе был взят, исходя со степенного закона:u/u0 = (y/R)1/n, (7)

u – средняя по времени скорость, полученная в любом месте сечения;

u0 – средняя по времени скорость, взятая на оси воздушной магистрали;

R – радиус воздухопровода;

η – эмпирический коэффициент, зависящий от числа Рейнольдса. Его можно определить по графику, представленному ниже.

Рис. 2. Зависимость индекса n от числа Рейнольдса

Определенные в таблице 3 точки замеров (y1 = 0,054D и y2 = 0,28D) соответствуют показателям замера скорости воздуха в круглых воздухопроводах согласно ГОСТ 12.3.018–79. Из этого следует, чтово время выполнения замеров отклонение измеренной скорости от усредненной по времени, которое вызвано турбулентными пульсациями воздушного потока, может находиться в диапазоне от ±5 до ±7 %.

Скорость воздуха  на оси воздухопровода,  м/с	Re	n	Скорость u в точке y1 = 0,054D, м/с	Пульсации скорости u’ в точке y1 = 0,054D, м/с	Скорость u в точке y2= 0,28D, м/с	Пульсации скорости u’в точке y2 = 0,28D, м/с	Δu, %
один	2,16·104	6	0,69	0,046	0,908	0,061	6,7
пять	1,08·105	7,2	3,67	0,204	4,61	0,256	5,6
десять	2,16·105	7,7	7,49	0,389	9,28	0,482	5,2

Среднеквадратическоеколебание пульсационной компанующей от средней по времени скорости будет находиться в пределах от трех с половиной до пяти процентов и определяться по формуле: σu' = |0,71u’|, (8)

Определим вероятность погрешности вычисления скорости воздушного потока более одного процента в большую или меньшую сторону, исходя из показателя средней скорости. Данное исследование вероятности осуществим для 1-го, 3-х, 10-ти замеров, определившись, что данные условных замеров будут подчиняться закону о нормальном распределении случайной величины. При данных условиях существует объективная возможность получить отклонение, которое больше среднего значения скорости на 1 %:

• для 1замера – 42 %;

• для 3 замеров – 7,4 %;

• для 10 замеров – 0,17 %.

Полученные показатели, приведенные выше, говорят о том, что турбулентные пульсации могут ощущаться исключительно при малом количестве замеров. Рассмотрим на примере. Если измерять скорость воздушного потока трижды в одной точке, то с вероятностью 7,4% произойдет ошибка больше, чем на ± 1%. Однако показатели, полученные при замерах скорости в других пунктах сечения, вероятнее всего сгладят данное отклонение.

Применяемые нормы в других странах

Нормативы приемки систем вентиляции воздуха в европейских странах имеют более лояльные ограничения, чем российские стандарты. К примеру, стандартом EN 12599 предусмотрено отклонение расхода воздуха всей системы от запланированной в пределах ±15 %. Что касается каждого отдельного помещения, то здесь возможно отклонение до ±20 %. Названные нормативы дают возможность сдать и отрегулировать вентиляционную систему без особых проблем.

В работе «Measurement of air flow in duct by velocity measurements» авторы попытались разобраться, какое же отклонение является наиболее объективным и приемлемым. Для этого было осуществлено прямое численное моделирование турбулентных течений при заданных числах Рейнольдса, которые присущи системам вентиляции.Данный процесс сопровождался специализированным программным обеспечением. Полученные по компьютерной модели значения сравнили с данными проведенных экспериментов. Тестирование показало небольшие расхождения между моделированием и экспериментальными данными. После этого провели изучение отклонения определенного по моделиреального расхода от результатов, полученных при проведении замеров, согласно стандартам ISO 3966, EN 12599, Pr EN 16211 в одинаковыхмоделях. Стандарты названных методик тождественны ГОСТ 12.3.018–79, однако имеют разное число точек замеров и их размещение.Проведенными исследованиями было определено воздействия удаления мерного сечения от области возмущения воздушного потока.Частьрезультатов, которые получены для воздуховодов прямоугольной формы, сведена в таблице 4.

Применяемая схема  Число осей (точек) Максимально допустимая погрешность, % L / D, удаленность от области возмущения 5 10 45 ISO 3966 5 (25) 4 4 2 1 (5) 10 7 7 EN 12599 3 (9) 8 8 5 1 (3) 17 11 9 Pr EN 16211 1 (6) 15 6 4 Нестандартный метод 1 (5) 15 7 7

Из проведенных исследований определено, что профиль скорости в воздушных магистралях всегда устанавливается только на отрезке, который соответствует 45 гидравлическим диаметрам от области возмущения.

Заключение

Данная работа содержит анализ основных условий, которые воздействуют на точность измерения используемого воздуха в вентиляционных системах, при этом отдельные факторы были количественно оценены. К примеру, ГОСТ 12.3.018–79 допускается показатель погрешности 20% и более при определении расхода воздуха, а отклонение показателей от оптимальногонаходится в пределах до ±1,5 %.

Приемка вентиляционных систем в европейских странах выполняется по EN 12599, в котором установлено, что максимальное отклонение для всей системы реального расхода от заложенного в проекте ±15 %, тогда как для отдельных помещений оно составляет ±20%.

Используя выше изложенные данные, можно сказать, что приемка вентиляционных систем по СП 73.13330.2012 с максимальным показателем отклонения от проектного (не более ±8 %) не имеет научной и практической базы, а потому не является правильной. Исходя из этого, необходимо увеличить показатель допустимого отклонения, согласно полученным последним теоретическим и практическим данным.