Воздушный режим высотного жилого здания в течение года

Часть 2. Воздушный режим при механической вытяжной вентиляции*

Е. Г. Малявина, профессор, канд. техн. наук;

С. В. Бирюков, канд. техн. наук;

С. Н. Дианов, инженер, Московский государственный строительный университет (МГСУ)

Во второй части статьи представлены результаты расчетов воздушного режима жилых зданий для следующих систем вентиляции:

– механическая вытяжная вентиляция с общими вентиляторами на стволах и механический приток поэтажными установками с подачей санитарной нормы воздуха (180 кг/ч на квартиру);

– механическая вытяжная вентиляция с общими вентиляторами на стволах и притоком через приточные клапаны, установленные в каждой комнате квартиры.

Расчеты воздушного режима были получены с помощью компьютерной программы, разработанной на кафедре отопления и вентиляции Московского государственного строительного университета (МГСУ).

Механическая вытяжная вентиляция с притоком через клапаны

Расчетный вентиляционный режим

В расчетном вентиляционном режиме (5 °С) при механической вытяжной вентиляции (с полным давлением вентилятора 50 Па) и притоке через клапаны нормативные расходы вытяжки удовлетворяются на нижних этажах при неплотных окнах (сопротивление воздухопроницанию окна R_и = 1,0 м²•ч/кг, сопротивление воздухопроницанию квартирных дверей R_и = 0,7 м²•ч/кг при разности давлений ∆Р = 10 Па), на верхних этажах расход недостаточен на 15 %.

Увеличение плотности окон до R_и = 2,0 м²•ч/кг и квартирных дверей до R_и = 1,5 м²•ч/кг (при разности давлений ∆Р = 10 Па) приводит к сокращению воздухообмена квартир даже в случае увеличения полного давления вытяжных вентиляторов с 50 до 70 Па.

Необеспеченность расхода воздуха составляет при этом 20 % на нижних этажах и 30 % на верхних. Основную роль в занижении расхода воздуха играет малая пропускная способность клапанов. Установка двух клапанов на комнату должна спасти положение.

Эксплуатационный зимний режим

В вариантах расчета при эксплуатационном зимнем режиме (–3,1 °С) считалось, что клапаны установлены в рассматриваемой трехкомнатной квартире на наветренной стороне (по одному клапану на комнату).

При вентиляторах с полным давлением 50 Па в здании высотой 120 м на всех этажах, а в зданиях 170 и 220 м на 20-ти верхних этажах вытяжные расходы недостаточны.

Для здания 120 м они лежат в диапазоне 138–178 кг/ч, 170 м – 146–196 кг/ч, 220 м – 146–221 кг/ч. Расходы через приточные клапаны ограничены, соответственно, диапазонами: 95–124 кг/ч, 99–140 кг/ч, 101–151 кг/ч. Баланс выдерживается за счет инфильтрации через окна и двери в квартиры.

Интересно, что увеличение полного давления вытяжных вентиляторов с 50 до 100 Па в здании 120 м практически не улучшает ситуацию. Увеличение вытяжных и приточных расходов очень незначительно.

Расчетные зимние условия

В расчетных зимних условиях (–28 °С) эти системы работают с повышенными расходами воздуха. Разности давлений на окнах (и клапанах) и квартирных дверях ниже, чем при механическом притоке. Важно отметить, что норма притока обеспечивается проникновением воздуха не только через клапаны, но и через окна (около 10–25 %).

На рис. 7 показаны распределения по этажам расходов воздуха и перепадов давлений на воздухопроницаемых элементах квартиры.

Рисунок 7. Механическая вытяжная вентиляция с общими вентиляторами на стволах и притоком через приточные клапаны, установленные в каждой комнате квартиры. Для окон Rи = 2 м2•ч/кг, для квартирных дверей Rи = 1,5 (при разности давлений ∆Р = 10 Па). а) расходы воздуха через вентиляционные решетки (сумма по квартире), кг/ч; б) расходы воздуха через квартирные двери, кг/ч; в) расходы воздуха через окна и приточные клапаны (сумма по квартире), кг/ч; г) перепад давлений на вытяжных решетках, Па; д) перепад давлений на квартирных дверях, Па; е) перепад давлений на окнах и приточных клапанах, Па Развиваемое давление вентилятором при различных температурах наружного воздуха принималось равным: t = 28,5 °С – 70 Па; t = 5 °С – 100 Па; t = –3,1 °С – 50 Па

Механические системы вытяжки и притока

Расчетный вентиляционный режим

В расчетном вентиляционном режиме (5 °С) для здания с окнами, имеющими сопротивление воздухопроницанию R_и = 1,5 м²•ч/кг и сопротивление воздухопроницанию квартирных дверей R_и = = 0,7 м²•ч/кг (при разности давлений ∆Р = 10 Па) распределение расходов вытяжного воздуха по этажам практически равномерное в пределах 227–250 кг/ч для здания 170 м и 233–263 кг/ч для здания 220 м.

Увеличение плотности окна до 2 м²•ч/кг и квартирных дверей до R_и = 1,5 м²•ч/кг (при разности давлений ∆Р = 10 Па) приводит к незначительному сокращению вентиляционных расходов: в здании 120 м – до 210–230 кг/ч; в здании 170 м – до 218–245 кг/ч; в здании 220 м – до 218–255 кг/ч.

Как видно, вентиляционные расходы обеспечиваются во всех случаях с перерасходом 17–42 %.

Движение воздуха через квартирные двери и окна направлено в квартиру и составляет через плотные двери (R_и = 1,5 м²•ч/кг при разности давлений ∆Р = 10 Па) 4,5–6,5 кг/ч и через плотные окна (R_и = 2 м²•ч/кг при разности давлений ∆Р = 10 Па) 25–45 кг/ч в здании 120 м и 33–69 кг/ч – в здании 220 м.

Эксплуатационный зимний режим

В вариантах расчета при эксплуатационном зимнем режиме (–3,1 °С) с подачей поэтажными приточными системами санитарной нормы воздуха вытяжные системы работают с большим расходом, чем это требуется по нормам. Причем увеличение плотности окон от R_и = 1,5 м²•ч/кг до R_и = 2,0 м²•ч/кг (при разности давлений ∆Р = 10 Па) приводит к уменьшению расхода вентиляционного вытяжного воздуха приблизительно на 20 кг/ч, т. е. на 10 %. Соответственно, падает расход инфильтрационного воздуха через окна.

Расчетные зимние условия

В расчетных зимних условиях (–28 °С) в зданиях с механическим притоком и вытяжкой разности давлений по разные стороны окна выше, чем при естественной вытяжке.

При плотности окон от R_и = 2 до R_и = 3,0 м²•ч/кг (при разности давлений ∆Р = 10 Па) эта разность давлений на уровне нижних этажей составляет порядка 330–370 Па в здании 120 м, 440–450 Па в здании 170 м, и 545–555 Па в здании 220 м. Причем интересно отметить, что большая разность давлений относится к окнам нижних этажей на подветренном фасаде.

Расходы инфильтрационного воздуха через окна близки к нормативным при плотности окон здания 120 м R_и = 2,0 м²•ч/кг, а в зданиях 170 м и 220 м при сопротивлении воздухопроницанию окон R_и = 3,0 м²•ч/кг (при разности давлений ∆Р = 10 Па).

Разности давлений на квартирных дверях также выросли по сравнению со зданием, обслуживаемым естественной системой вытяжной вентиляции.

При плотности дверей R_и = = 1,5 м²•ч/кг (при разности давлений ∆Р = 10 Па) перепады давления составляют 237 Па в здании 120 м, 330–340 Па — в здании 170 м, и 425–445 Па — в здании 220 м.

Был рассчитан вариант воздушного режима здания 120 м с открытой квартирной дверью на 11 этаже. Расчет показал, что в эту дверь врывается 285 кг/ч воздуха (177 кг/ч•м²), то есть скорость воздуха менее 0,1 м/с.

Система вентиляции при открытой квартирной двери увеличивает расход вытяжного воздуха при открытой двери в два раза (вытяжка из квартиры составляет 540 кг/ч воздуха).

Расходы вентиляционного воздуха через вытяжные решетки квартир равномерно распределяются по высоте зданий и превышают нормативные расходы на 30–75%.

Расчетный летний режим

В расчетном летнем режиме (28,5 °С) для рассматриваемых систем расчеты показали, что необходимая вытяжка обеспечивается при полном давлении вентилятора 70 Па.

Увеличение расхода вытяжного воздуха с повышением полного давления вентиляторов от 70 до 150 Па укладывается в 15 % для зданий высотой от 120 до 220 м. Это согласуется с квадратичной зависимостью расхода от разности давлений.

Поскольку температура внутреннего воздуха всего на 4,5 °С ниже температуры наружного, естественным давлением можно пренебречь.

Понятно, что максимальные расходы вытяжного воздуха наблюдаются на верхних этажах вблизи вытяжного вентилятора.

При подаче в квартиры санитарной нормы приточного воздуха во всех вариантах отмечается инфильтрация наружного воздуха даже при относительно плотных окнах с сопротивлением воздухопроницанию окна R_и = 2,0 м²•ч/кг (при разности давлений ∆Р = 10 Па).

Инфильтрационные расходы больше на верхних этажах, и при вентиляторах с 70 Па доходят до 39 кг/ч, а при вентиляторах с полным давлением в 150 Па – до 55 кг/ч на трехкомнатную квартиру.

Воздухопроницаемость квартирных дверей с сопротивлением воздухопроницанию R_и = 1,5 м²•ч/кг (при разности давлений ∆Р = 10 Па) незначительно больше нормативной.

На рис. 8 показаны распределения по этажам расходов воздуха и перепадов давлений на воздухопроницаемых элементах квартиры.

Рисунок 8. Механическая вытяжная вентиляция с общими вентиляторами на стволах и механический приток поэтажными установками с подачей санитарной нормы воздуха (180 кг/ч на квартиру). Для окон Rи = 2 м2•ч/кг, для квартирных дверей Rи = 1,5 (при разности давлений ∆Р = 10 Па). а) расходы воздуха через вентиляционные решетки (сумма по квартире), кг/ч; б) расходы воздуха через квартирные двери, кг/ч; в) расходы воздуха через окна (сумма по квартире), кг/ч; г) перепад давлений на вытяжных решетках, Па; д) перепад давлений на квартирных дверях, Па; е) перепад давлений на окнах, Па Развиваемое давление вентилятором при различных температурах наружного воздуха принималось равным 50 Па для всех режимов.

Основные выводы по расчетам воздушного режима жилого здания

1. Системы естественного притока и вытяжки не обеспечивают расчетного воздухообмена квартир в расчетном вентиляционном режиме. Такие системы не должны рекомендоваться к применению. В помещениях, в которых не разрешено открывание окон, в летнем режиме вентиляция осуществляться не будет тем более.

2. Вытяжные устройства всех рассмотренных систем должны иметь ограничители расхода как на случай повышения естественного давления вследствие понижения температуры наружного воздуха или увеличения скорости ветра, так и на случай увеличения разрежения за вентиляционной решеткой при закрытии вентиляционных решеток в других квартирах на том же стояке вентиляции. Системы механического притока также должны быть регулируемыми и иметь ограничители расхода.

Общие вытяжные вентиляторы на стволах вытяжных систем должны иметь возможность регулирования.

3. Механические системы вытяжной вентиляции с притоком через клапаны могут применяться в случае обеспечения в расчетном вентиляционном режиме достаточной пропускной способности клапанов, например за счет установки двух клапанов на комнату.

В любом случае приточные клапаны должны быть оснащены ограничителями расхода для контроля за расходом воздуха при понижении температуры наружного воздуха или увеличении скорости ветра.

4. Системы естественной вытяжки и механического притока поэтажными установками в расчетном вентиляционном режиме работают хорошо.

5. В жилых зданиях с вентиляционными вытяжными шахтами, обслуживающими помещения в пределах высоты пожарного отсека (около 50 м), вентиляционные решетки размещены внутри квартир. Таким образом, вытяжная шахта связана с функциональными помещениями. В этом случае плотность окон должна быть несколько выше, чем дает приближенная формула СП 23-101-2000 [4]. В высотных зданиях должно быть учтено то, что вытяжка осуществляется непосредственно из помещений, примыкающих к окнам.

6. При системах вентиляции с вертикальными шахтами, по которым воздух выбрасывается на кровлю, воздухопроницаемость квартирных дверей R_и = 1,5 м²•ч/кг может быть обеспечена только при разности давлений на дверях нижних этажей более 150 Па. Разности давлений на квартирных дверях в расчетном зимнем режиме при естественной вытяжке составляют 200–380 Па (соответственно в зданиях 120 и 220 м), а при механической доходит до 425 Па в здании 220 м.

7. При проектировании механической вытяжной вентиляции с выводом на кровлю всех стволов необходимо учитывать возможную инфильтрацию в расчетном летнем режиме даже в условиях механического притока.

8. Индивидуальные архитектурные особенности объемно-планировочных решений каждого здания вносят специфику в формирование его воздушного режима. Для получения адекватной картины потокораспределения в конкретном здании и влияния воздушного режима на работу вентиляционных систем желательно выполнять машинные расчеты этих показателей.

Литература

1. СНиП 41-01-2003. Отопление, вентиляция, кондиционирование воздуха. М.: Госстрой России, 2004.

2. СНиП 2.01.07-85*. Нагрузки и воздействия / Госстрой РФ. М.: ГУП ЦПП, 1993.

3. СНиП II-3-79*. Строительная теплотехника / Госстрой РФ. М.: ГУП ЦПП, 1998.

4. CП 23-101-2000. Проектирование тепловой защиты зданий / Госстрой России. М.: ГУП ЦПП, 2001.

5. Константинова В. Е. Воздушно-тепловой режим в жилых зданиях повышенной этажности. М.: Стройиздат, 1969.

6. Титов В. П. Расчет вентиляционных систем с естественным побуждением для многоэтажных зданий // Вопросы тепловлажностного и воздушного режимов кондиционирования микроклимата: Сб. трудов. М.: МИСИ, 1970. № 52.

7. Китайцева Е. Х. Алгоритм решения задач воздушного режима многоэтажных зданий // Проблемы математики и прикладной геометрии в строительстве: Сб. трудов МИСИ. М.: МИСИ им. В. В. Куйбышева, 1982. № 172.

8. Китайцева Е. Х., Малявина Е. Г. Естественная вентиляция жилых зданий // АВОК. 1999. № 3.

9. Бирюков С. В., Дианов С. Н. Расширение возможностей программы «AIR» для расчета воздушного режима здания: Сб. трудов ТГВ-75. М.: МГСУ, 2003.

Тел. (095) 188-36-07

* Часть 1. Воздушный режим при естественной вытяжной вентиляции – читайте в прошлом номере журнала «АВОК» (№ 8, 2004, с. 6–12).
В первой части статьи были представлены исходные данные и исследуемые режимы работы систем вентиляции, а также даны расчеты воздушного режима здания для следующих систем вентиляции:
– естественная вытяжная вентиляция с притоком через клапаны;
– естественная вытяжная вентиляция и механический приток поэтажными установками с подачей санитарной нормы воздуха (180 кг/ч на квартиру).