Распространение воздуха и загрязняющих веществ в зданиях и помещениях

Е. О. Шилькрот, ОАО «ЦНИИПромзданий»

А. М. Живов, Университет Иллинойса, США

Поля параметров, температура и концентрация загрязняющих веществ в помещениях и зданиях формируются как результат взаимодействия распространяющихся в них воздушных и тепловых потоков (циркуляции воздуха). Потоки индуцируются источниками и стоками теплоты и массы (например, нагретые и охлажденные поверхности, отверстия в ограждениях и оборудовании, системы отопления и вентиляции), движением людей и механизмов, ветром и т. п. Знание закономерностей распространения потоков воздуха, в т. ч. загрязненного, позволяет в определенной степени управлять циркуляционными потоками и формировать в зданиях и помещениях наиболее эффективное распределение температуры и концентрации загрязняющих веществ. Таким образом обеспечивается близкое к оптимальному сочетание требуемой комфортности и безопасности воздушной среды, капитальных и эксплуатационных затрат строительных объектов.

Управление потоками воздуха широко используется в практике отопления и вентиляции, например, при создании подпора или разрежения между помещениями, устройстве воздушных завес и воздушно-струйных укрытий, применении систем вытесняющей вентиляции и т. п. [1].

Рисунок 1. (подробнее) Зоны в здании: а) на одном уровне со стенами с отверстиями; б) на разных уровнях со стенами с отверстиями; в) на одном уровне с воздушной завесой; г) в одном помещении на одном уровне; д) в одном помещении на различных уровнях; I, II, III – зоны в здании и в помещении

Для оценки распространения воздуха и загрязняющих веществ в зданиях и помещениях (зонах) предложена следующая их классификация [2]:

- Зоны здания, разделенные сплошными стенами (например, залы, комнаты, кабины), расположенные на одном уровне. В стенах могут быть специальные отверстия или щели, через которые происходит перетекание воздуха (рис. 1а).

- Зоны здания, разделенные стенами, расположенные на разных уровнях (полы на разной высоте). Между такими зонами может существовать движение воздуха (например, по лестничным пролетам или по воздуховодам) (рис. 1б).

- Зоны здания, разделенные воздушными струями, расположенные на одном уровне (например, вытяжные шкафы с воздушными струями, воздушные завесы) (рис. 1в).

- Зоны здания в пределах одного помещения (не имеющего физического разделения), имеющие разные требования по чистоте воздуха («чистые» или «грязные» зоны) и расположенные на одном уровне (рис. 1г).

- Зоны, расположенные в пределах одного помещения на разных уровнях. Эти зоны имеют разные значения температуры воздуха и/или концентрации загрязняющих веществ (рис. 1д).

Рисунок 2. (подробнее) Факторы, влияющие на распространение загрязняющих веществ между зонами

Причинами перемещения воздуха и загрязняющих веществ между различными зонами могут быть один или несколько факторов:

- Перепад статического давления между двумя зонами в результате несбалансированности подачи приточного воздуха и удаления отработанного воздуха в каждой зоне. Воздух и загрязняющие вещества перемещаются из зоны с более высоким статическим давлением в зону с более низким статическим давлением (рис. 2а).

- Перепад статического давления между двумя зонами как результат действия ветрового давления на ограждения здания (рис. 2б).

- Перепад статического давления между двумя зонами, расположенными на разных уровнях, как результат действия гравитационного давления или конвективные потоки, формирующие разность температур и концентраций загрязняющих веществ в воздухе между двумя зонами, расположенными на разных уровнях одного помещения (рис. 2в).

- Циркуляция воздуха между зонами как результат турбулентности воздуха, генерируемой приточными струями, конвективными потоками или движущимися объектами. В этом случае баланс массы воздуха, перемещаемого между зонами, равен нулю (рис. 2г).

Для контроля движения воздуха и загрязняющих веществ между зонами применяются различные методы. «Чистые» и «грязные» зоны разделяются при помощи воздухонепроницаемых стен или перегородок (рис. 3а).

Рисунок 3. (подробнее) Способы контроля движения воздуха и загрязняющих веществ между зонами

Могут применяться следующие методы вентиляции:

- Дисбаланс расходов приточного и удаляемого воздуха (рис. 3б).

- Создание «воздушного оазиса» при помощи специально организованной подачи приточного воздуха и удаления отработанного воздуха (рис. 3в).

- Системы естественной или механической вытесняющей вентиляции, создающие температурную стратификацию воздуха по высоте с образованием температурного перекрытия (рис. 3г).

- Воздушные завесы и вытяжные шкафы с воздушными струями, отделяющие «грязные» зоны от «чистых» (рис. 3д).

Совместные меры контроля движения воздуха, проводимые во время строительства и при устройстве вентиляционных систем, включают в себя устройство «воздушных шлюзов» между двумя зонами (рис. 3е), камер с технологическим оборудованием, из которых осуществляется удаление загрязненного воздуха (рис. 3ж).

Методы расчета и управления давлением между зонами известны. Наиболее удобен для практического применения метод «построения эпюр давления», предложенный и разработанный В. П. Титовым [3].

Важно отметить, что воздушный поток, создаваемый перепадом давления между «чистой» и «грязной» зонами, не полностью предотвращает перемещение загрязняющих веществ из «грязной» зоны в «чистую».

Рисунок 4. (подробнее) а) Распространение загрязняющих веществ в двухпролетном здании с разной высотой пролетов; б) предотвращение распространения загрязняющих веществ при помощи «воздушного шлюза»

Рассмотрим двухпролетное здание с разной высотой пролетов и с подачей воздуха в нижнюю зону «чистого» пролета и удалением загрязненного воздуха из верхней зоны «грязной» секции (рис. 4а). В «чистом», высоком, пролете температура воздуха выше, чем в «грязном». Под действием гравитационного давления между пролетами происходит перенос загрязняющих веществ из «грязной» зоны в «чистую» через щели и другие отверстия в стенах, разделяющих эти зоны. Для минимизации переноса загрязняющих веществ зоны могут быть разделены «воздушным шлюзом» (рис. 4б).

Другим фактором, влияющим на перенос загрязнений и тепла из «грязной» зоны в «чистую», в т. ч. в направлении, противоположном направлению устойчивого потока воздуха, является турбулентный обмен воздуха между этими зонами [4, 5]. Это явление должно учитываться при проектировании систем вытесняющей вентиляции и при оценке интенсивности выноса загрязнений через загрузочные отверстия технологических камер, например, сушильной, окрасочной и т. п. (рис. 5а).

Рисунок 5. (подробнее) Распространение загрязняющих веществ в результате турбулентного обмена между зонами здания: а) во встречном потоке воздуха вблизи всасывающего отверстия; б) между «нижней» и «верхней» зонами помещения с вытесняющей вентиляцией

Механизм турбулентного обмена между верхней и нижней зонами для случаев вытесняющей вентиляции рассмотрен нами в работах [5, 6].

Эффект турбулентного обмена между загрязненным воздухом в камере технологического оборудования и воздухом помещения (рис. 5) рассмотрен В. М. Эльтерманом. Скорость всасывания воздуха V₀ в отверстии камеры с изотермическим технологическим процессом, обеспечивающая концентрацию загрязняющих веществ на расстоянии l от отверстия, может быть вычислена следующим образом:

V_уд = (A/l) ln[(C₀-C_∞)/(C_l-C_∞)],

где С₀ – концентрация загрязняющих веществ в камере;

С_∞ – концентрация загрязняющих веществ в помещении;

С_l – концентрация загрязняющих веществ в точке, расположенной на расстоянии L от отверстия камеры;

А – коэффициент турбулентного обмена.

Факторами, в наибольшей степени влияющими на значение коэффициента А, являются характеристический размер отверстия камеры и уровень турбулентности воздуха в камере. Для снижения турбулентного обмена рекомендуется уменьшить характеристический размер отверстия камеры, например, установив стабилизирующую решетку или канал перед отверстием камеры.

Рассмотренные способы и приемы управления потоками загрязняющих веществ в здании и помещении получили распространение в практике вентиляции при стабилизации воздушного режима в цехах вертикального вытягивания стекла, при конструировании эффективных местных отсосов (воздушно-струйные укрытия заливочных участков литейных цехов, окрасочных и сушильных камер), воздушных завес, разделяющих ресторанные залы на места для курящих и некурящих и т. п.

Литература

1. СНиП 2.04.05-91*. Отопление, вентиляция и кондиционирование. М., 1981.

2. Shilkrot E., Zhivov A. Design Guide Book. Industrial Ventilation. Academic Press, 2001.

3. Титов В. П. Отопление и вентиляция. Ч. II. Вентиляция. М.: Стройиздат, 1976.

4. Эльтерман В. М. Вентиляция химических производств. М.: Химия, 1980.

5. Shilkrot Е. О. Determination of Design Loads on Room Heating and Ventilation systems using the Methods оf Zone-by-Zone balances // ASHRAE Transaction. 1993. Vol. 99, no. 1.

6. Shilkrot E. O., Zhivov A. M. Room Ventilation with Designed Temperature Stratification // Roomvent’92. Vol. 1. Aalabord, Denmark.