Воздушный режим зданий с проемами в наружных ограждениях, оборудованных воздушными завесами

Е. О. Шилькрот, ОАО «ЦНИИПромзданий, ООО «НПО Термэк»

Основной исходной величиной для расчета или подбора воздушных (ВЗ) и воздушно-тепловых завес (ВТЗ) является разность давлений воздуха по обе стороны проема, защищаемого завесой:

DP = P_н – P_вн .

Разность давлений воздуха вызвана тремя факторами:

– разностью удельных весов воздуха с двух сторон проема;

– давлением на ограждения здания при его обтекании ветровым потоком;

– дисбалансом систем приточной и вытяжной вентиляции.

Величина разности давлений воздуха кроме указанных факторов зависит от герметичности ограждающих конструкций, наличия или отсутствия в них других открытых проемов, щелей, неплотностей и т. п. и определяется в результате расчета воздушного режима здания.

Расчет воздушного режима здания состоит в определении разности давлений снаружи и внутри здания, вызывающей потоки воздуха через ограждения: открытые проемы, щели, неплотности и т. п., и расхода воздуха в этих потоках. Величина расхода воздуха рассчитывается по известным формулам:

(1)

или

(2)

Формула (1) описывает турбулентный режим течения, наблюдаемый в открытых проемах, отверстиях, щелях и т. п.; формула (2) – смешанный режим течения, характерный для неплотностей в закрытых светопрозрачных ограждениях.

Известно несколько способов расчета разности давления воздуха DPi [1–5]. Наиболее удобным и универсальным следует считать метод «условного 0», предложенный В. П. Титовым [4]. Этот метод устанавливает постоянный уровень отсчета давлений и позволяет иметь эпюры давлений «стандартной формы» практически для любых граничных условий при расчете воздушного режима зданий. Обычно уровень «условного 0» назначается в центре или вверху наиболее высоко (от уровня пола) расположенного отверстия на заветренной стороне здания. Ось абсцисс направлена вниз.

Рисунок 1 (подробнее) Эпюры давлений при совместном действии гравитационных сил и ветра

На рис. 1 представлены эпюры давлений при совмест-ном действии гравитационных сил и ветра при неизменяемых по высоте значениях температуры воздуха и скорости ветра, полученные сложением эпюр при их раздельном действии. В общем случае расчетное давление снаружи здания для каждого отверстия, относительно внутреннего избыточного, определяется по формуле:

(3)

Давление внутри здания P₀ постоянно. Разность давлений снаружи и внутри здания DP = P_н – P₀. Несбалансированная механическая вентиляция не влияет на форму эпюр давления.

Значение внутреннего избыточного давления P₀ определяется из уравнения воздушного баланса здания:

(4)

Решение уравнения (4) относительно значения внутреннего давления P₀ для зданий с большим числом отверстий, как правило, проводится на ПК.

Обычно заранее не известно, через какие отверстия происходит приток воздуха, P_н > P₀, а через какие – вытяжка, P_н < P₀. Чтобы избежать затруднений при проведении расчетов, формулу (1) удобно записывать в следующей форме:

(5)

Расчет воздушного режима зданий с открывающимися воротами и дверями, защищаемыми ВЗ или ВТЗ, имеет ряд особенностей. У любого вертикального отверстия разность гравитационного давления снаружи и внутри здания изменяется по высоте. Часто таким изменением можно пренебречь, рассчитывая расход воздуха по разности давлений в центре отверстий. В ряде случаев изменение гравитационного давления по высоте отверстия необходимо учитывать. К таким отверстиям, получившим название «высоких отверстий», чаще всего относятся проемы ворот и дверей, высокое остекление стен и др. Иногда часть «высокого отверстия» работает на приток, а часть – на вытяжку [2, 4, 5].

В современных общественных зданиях с малой воздухопроницаемостью ограждений расходы воздуха через переплеты остекления существенно (не менее чем на порядок) меньше, чем через проемы ворот и дверей, и их можно не учитывать. В производственных зданиях с естественной вентиляцией влияние открытых проемов, щелей, технологических отверстий существенно, и их следует учитывать при расчете воздушного режима. Рассмотрим естественный воздухообмен при совместном действии гравитационного и ветрового давления в здании с воротами и дверями, расположенными на наветренной и заветренной сторонах. Будем полагать, что суммарная площадь неплотностей в ограждениях здания, находящихся выше ворот А₁, и расположена на заветренной стороне.

Уровень «условного 0» поместим на уровне центра неплотностей А₁.

Рисунок 2 (подробнее) Воздушные потоки в здании с «высокими» отверстиями

Будем полагать, что других открытых проемов и неплотностей в здании нет, а температура воздуха внутри здания, скорость ветра снаружи здания и коэффициент расхода воздуха через проемы ворот и дверей не изменяются по высоте (рис. 2). Эпюра давлений снаружи здания имеет форму прямоугольной трапеции с основанием:

P_н = gDrh_вор + DCP_W .

Эпюра давлений внутри здания имеет форму прямоугольника с горизонтальной стороной P₀, причем:

P₀ < gDrh_вор + DCP_W .

В общем случае разность давлений (P_н – P₀) будет положительна для нижней части проемов, H > h₀ и H > h’₀, и отрицательна для верхней части отверстия, H – h_вор < h₀ и H – h_дв < h’₀. В проемах ворот и дверей будет иметь место приток воздуха в нижней их части и вытяжка – в верхней. Расход воздуха через элементарную площадку i-го «высокого отверстия» высотой dh составит:

(6)

Расход приточного воздуха, соответственно:

(7)

а вытяжного:

(8)

Уравнение воздушного баланса/расхода (4) запишется следующим образом:

(9)

Поскольку через проемы ворот и дверей воздух как поступает в здание (на уровнях от H до h₀ и от H до h’₀), так и удаляется (на уровнях от h₀ до (H – h_вор), и от h’₀ до (H – h_дв), очевидно, что на некотором расстоянии h₀ и h’₀ существует линия, служащая разделом для течения воздуха – внутрь здания и наружу.

На уровне h’₀ наружное и внутреннее давление одинаковы, то есть:

(10)

cоответственно:

(11)

 

а

(12)

В результате интегрирования уравнение (9), при условии

с учетом условий (11) и (12), приводит к следующему выражению:

(13)

Последнее уравнение связывает между собой все переменные величины, определяющие воздушный режим здания с «высокими» и обычными отверстиями: геометрические размеры отверстий, b_вор, b_дв, h_вор, h_дв, A_отв, и их расположение относительно «условного 0», h_i, высоту здания и уровень расположения «условного 0», H, разность плотностей внутреннего и наружного воздуха, Dr, ветровое давление, DCP_W, дисбаланс механической вентиляции, DG_мех, и уровень изменения направления потока воздуха в «высоком отверстии» – проемах ворот и дверей, h₀. Решение этого уравнения возможно путем итераций или графически, когда известны численные значения исходных данных. При решении целесообразно записать его в форме (5). Для ряда часто встречающихся случаев получены более простые зависимости.

Анализ воздушного режима зданий с проемами в наружных ограждениях, оборудованных воздушно-тепловыми завесами

Рассмотрим несколько частных случаев воздушного режима зданий с проемами, оборудованными воздушными завесами.

Герметичное здание

Для рассматриваемых условий из выражения (13) получим (для условий H = h_вор):

(14)

соответственно:

(15)

или

Из формул (14) и (15) следует, что в рассмотренном случае ветровое давление не влияет на распределение давления и расход воздуха через проем. Если выбрать точку расположения «условного 0» произвольно, например, на уровне H > h_вор, то:

(16),

а

(17)

где

(18).

Формула (15) позволяет рассчитать разность давлений по обе стороны «высокого» проема (в данном случае ворот) на любом уровне по высоте проема. На уровне «h₀» разность давлений равна 0 (см. условие (10), на уровне h_вор ее значение максимальное. Поскольку гравитационное давление изменяется по высоте линейно, расчетную величину разности давлений при расчете или поборе ВТЗ будем принимать равной средней по высоте проема [1], то есть:

(15').

Герметичные здания с воротами и дверями разной высоты

Примером таких зданий могут служить здания с воротами высотой h_вор и дверями высотой h_дв, расположенными по одной стороне здания. Полагаем, h_дв < h_вор. Разность давлений в проеме ворот определяется по формуле (15). Разность давлений в проеме дверей определяется аналогично. Расходы воздуха в проемах ворот и дверей и суммарный расход воздуха могут быть рассчитаны по формуле (1). Сопоставляя формулы для расходов воздуха в каждом проеме и суммарного расхода, получим:

(19)

где

(20).

Герметичные здания с воротами на наветренной и заветренной сторонах

Из условий (11) и (12), при одинаковой площади ворот на наветренной и заветренной сторонах, следует:

(21)

Очевидно, что когда P_w=0, h₀ = h’₀, для условий h₀ = 0, h’₀ = h_вор. Таким образом, имеем:

.

или

(22)

Из последней формулы следует: чем больше высота ворот, тем при большей скорости ветра имеет место сквозное проветривание, когда по всей высоте ворот на наветренной стороне происходит приток воздуха – по всей высоте ворот на заветренной стороне происходит вытяжка. «Критическая» величина скорости, когда по всей высоте ворот на наветренной стороне происходит приток воздуха, составляет для ворот высотой h_вор = 2, 3 и 4 м соответственно W_кр = 1,24; 2,54 и 2,93 м/с. Когда величина скорости ветра больше критической, W > W_кр, ворота и двери следует рассматривать как обычные проемы. Разность давлений в проеме определится следующей формулой:

(23).

Когда величина скорости ветра меньше критической, W < W_кр, значения h₀ и h’₀ определяются из формулы (13). Формула имеет вид:

(24).

График, построенный по этой формуле, представлен на рис. 3.

Рисунок 3. График для определения уровня h0 в проеме ворот. Здание с воротами на наветренной и заветренной сторонах, (W < Wкр)

Здания с воротами и открытыми проемами, расположенными выше уровня ворот

Примером таких зданий являются здания с открывающимися проемами, щелями или неплотностями. Очевидно, что наличие открытых проемов в верхней части здания увеличит расход приточного воздуха в проемах ворот и дверей, соответственно, уровень h₀, расстояние от «условного 0» до уровня, где наружное и внутреннее давление равны, уменьшится. Из выражения (13) следует:

(25).

Из последней формулы следует: для условий

    (см. формулу (16)).

Отверстия и неплотности, расположенные в здании выше ворот и дверей, создают дополнительное разрежение в помещении, аналогичное работе вытяжного вентилятора. В зданиях с разрежением внутреннее давление уменьшается, разность давления увеличивается, уровень h0, на котором наружное и внутреннее давление одинаковы, уменьшается. Графики для определения уровня h₀, в зависимости от уровня и величины неплотностей в здании выше ворот, размеров ворот и скорости ветра, представлены на рис. 4.

Рисунок 4. График для определения уровня h0 в проеме ворот в здании с неплотностями в верхней зоне, h0 > (H – hвор): а – W = 0 м/c; б – W = 2 м/c; в – W = 5 м/c

При достаточно больших разрежениях величина h₀ достигает значения:

т. е. по всей высоте проема происходит приток воздуха. Например, для условий и W = 0, что соответствует случаю, когда весь проем ворот работает на приток воздуха.

(26).

В формулу (22) входит, в качестве переменной, высота расположения «условного 0», H, величина которой влияет на величину гравитационного давления. Нетрудно показать, что при одинаковых расходах воздуха через проем ворот и проем А_i между площадью проема A_i и высотой его расположения H_i между этими величинами существует следующая зависимость:

(27).

Здания с несбалансированной механической вентиляцией

В зданиях с несбалансированной механической вентиляцией изменяется внутреннее избыточное давление и, соответственно, расходы воздуха в проемах.

Влияние на воздушный режим разрежения в помещении, создаваемого механической вытяжной вентиляцией, аналогично влиянию проема, расположенного выше уровня верха ворот.

В зданиях с подпором внутреннее избыточное давление увеличивается, разность давления уменьшается, уровень h₀, на котором наружное и внутреннее давление одинаковы, увеличивается. При достаточно больших подпорах величина h₀ достигает значения h₀ = H, т. е. по всей высоте проема происходит удаление воздуха. Например, для условий h₀ = H и DC = 0, что соответствует случаю, когда весь проем ворот работает на вытяжку воздуха.

(28).

В зданиях с разрежением внутреннее избыточное давление уменьшается, разность давления увеличивается, уровень h₀, на котором наружное и внутреннее давление одинаковы, уменьшается. При достаточно большом разрежении величина h₀ достигает значения h₀ = H – h_вор, т. е. по всей высоте проема происходит приток воздуха.

(29).

Графики, построенные по формулам (28) и (29), представлены на рис. 5.

Рисунок 5. График для определения уровня h0 в проеме ворот в здании с подпором (верхняя часть графика) или разрежением (нижняя часть графика)

Порядок определения разности давлений при подборе ВТЗ

Анализ воздушного режима ряда наиболее часто встречающихся вариантов общественных и промышленных зданий позволил предложить приближенный метод (экспресс-метод) расчета разности давлений в открытых проемах ворот в зависимости от объемно-планировочных решений здания и герметичности ограждающих конструкций. Предлагаемый метод не охватывает все многообразие условий формирования воздушного режима здания. В частности, не рассматриваются здания, в которых, наряду с проемами с турбулентным режимом течения воздуха, имеются неплотности со смешанным режимом течения. Как показывают расчеты, этими неплотностями в зданиях, имеющих открывающиеся ворота и двери, можно пренебречь. Формулы и графики для определения расчетной разности давления в проемах, защищаемых шиберующей ВЗ, представлены в табл. 1. Возможен следующий алгоритм определения разности давлений при подборе ВТЗ с использованием данных табл. 1:

– по исходным данным устанавливается тип и схема здания;

– исходные данные приводятся к виду, предусмот-ренному в табл. 1;

– по формулам и графикам определяются значения высоты нейтральной линии, h₀, и разности давлений, DP.

Таблица 1 (подробнее) Порядок определения разности давлений, DP

Таблица 2 Значения критической скорости ветра

Высота ворот, hвор, м Скорость ветра, Wкр, м/с 2 1,9 3 2,5 4 2,85

Таблица 3 Предельная относительная величина неплотностей в здании, (mA)непл / (mb)вор. H = 10 м

Высота ворот, hвор, м Скорость ветра, Wкр, м/с 0 1 2 3 4 5 2 0,67 0,65 0,64 0,61 0,57 0,53 3 1,31 1,27 1,25 1,18 1,10 1,00 4 2,18 2,02 2,06 1,92 1,78 1,64

Литература

1. Каменев П. Н. Отопление и вентиляция. Часть II. Вентиляция. М.: Стройиздат, 1964.

2. Батурин В. В., Эльтерман В. М. Аэрация промышленных зданий. М.: Гостройиздат, 1963.

3. Бутаков С. Е. Основы вентиляции горячих цехов. Свердловск: Металлургиздат, 1962.

4. Отопление и вентиляция. Часть II. Вентиляция. Под ред. В. Н. Богословского. М.: Стройиздат, 1976.

5. E. Shilkrot, A. Strongin. В кн. Industrial Ventilation. Design Guide Book. Academic Press, 2001.