Многоквартирные дома.
Регулирование естественных потоков воздуха

J. W. Lstiburek, член Американского общества инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха (ASHRAE)

 

Потоки воздуха, вызванные естественным давлением, в высоких зданиях затрудняют контроль над потоками дыма и обеспечением пожаробезопасности, отрицательно сказываются на внутреннем воздухе и комфортном пребывании в помещении, а также увеличивают эксплуатационные затраты, связанные с потребляемой энергией для кондиционирования помещений (рис. 1). Эти потоки воздуха могут регулироваться при изолировании квартир друг от друга, а также от коридоров, шахт, лифтов и лестничных клеток (рис. 2 и 3).

Рисунок 1 (подробнее)   Влияние естественного давления. Внутренние потоки воздуха в высоких зданиях затрудняют контроль над перемещением дыма и обеспечением пожаробезопасности, отрицательно сказываются на качестве внутреннего воздуха и комфорте, увеличивают потребление энергии

Для достижения оптимальной плотности квартир значение воздухопроницаемости должно быть не больше 2 л/(с • м²) (7,2 м³/(ч • м²)) при разности давлений 75 Па ¹.

Такой уровень воздухонепроницаемости квартир необходим для снижения перетекания воздуха, вызываемого разностью естественного давления. Лифты следует устанавливать в вестибюлях, фойе и других «воздушных шлюзах», тем самым изолируя их от приквартирных холлов и коридоров. Двери в квартиры должны иметь уплотнители, чтобы уменьшить проникновение воздуха извне.

	Рисунок 2. Принцип разделения. Изоляция квартир от коридоров, а коридоров от шахт, лифтов от лестничных клеток уменьшает внутренние потоки воздуха, обусловленные естественным давлением
	Рисунок 3. Обеспечение требуемой воздухопроницаемости квартир. Каждая квартира изолирована от соседних квартир и от внешней среды системой барьеров для воздуха, обладающей воздухопроницаемостью не больше 2 л/(с • м2) при 75 Па
	Рисунок 4. Децентрализованная вентиляция

¹ Приведенная в статье размерность допустимой воздухопроницаемости, л/(с • м²), свидетельствует о том, что, вероятнее всего, речь идет о плотности единицы поверхности суммы наружных и внутренних ограждений квартиры. В п. 8.7 СНиП 23-02-2003 нормируемая средняя воздухопроницаемость квартир выражается величиной допустимой кратности воздухообмена при разности давлений 50 Па.

Децентрализованная вентиляция

Последовательно применяя принцип разделения, можно для каждой квартиры обеспечить собственный приток через наружный периметр, а не через внутренние ограждения, например, через пол. Вентиляция обеспечивается не центральными системами, а самостоятельными для каждой квартиры (рис. 4).

На практике располагаемые на крыше центральные вытяжные установки, вероятно, не смогут обеспечить необходимое распределение расходов удаляемого воздуха и реализовать меры контроля эффекта естественного давления только при помощи разделения внутреннего пространства здания. Задача затруднена из-за прибавления естественного давления к давлению, создаваемому вентиляторами в вертикальных каналах вытяжной системы. Кроме того, естественное давление и расходы воздуха в вытяжных системах изменяются в зависимости от температуры. Использование регуляторов постоянного расхода воздуха (устройств, поддерживающих постоянный расход воздуха при изменениях давления) до некоторой степени может ослабить влияние этих давлений, но такие устройства используются редко, и для их эффективной работы в воздуховодах должно быть очень высокое давление. В квартирах на верхних этажах в холодную погоду может наблюдаться избыточная вентиляция, т. к. они расположены ближе к вентиляторам и в наибольшей степени подвержены действию естественного давления ².

В шахтах, действующих как вытяжные каналы или их содержащих, сложно выполнить эффективную герметизацию и осуществить надежный контроль огня и дыма из-за образования сложной трехмерной структуры потоков воздуха и полей порового давления. Центральные системы имеют существенное ограничение, заключающееся в том, что установки не позволяют реализовывать индивидуальное регулирование в квартирах, т. к. центральные вентиляторы регулируются обслуживающим персоналом здания и либо включены, либо выключены.

Таким образом, квартиры или все вентилируются, или не вентилируются вовсе, что, соответственно, приводит или к избыточной вентиляции и к значительному перерасходу энергии во многих квартирах, или к недостаточной вентиляции, результатом чего может быть образование загрязнений.

 

² По мнению редактора, наибольшая разность естественных давлений имеет место на нижних этажах, и она увеличивается с падением температуры наружного воздуха. Поэтому в системе с общим вытяжным вентилятором наибольший расход вытяжного воздуха из квартир верхних этажей наблюдается при теплой погоде. С понижением температуры наружного воздуха распределение расходов по этажам выравнивается, и из квартир нижних этажей при холодной погоде расход часто бывает значительно больше нормы и больше расхода воздуха из квартир верхних этажей. Все зависит от соотношения давления вентилятора и естественного давления, а также от аэродинамических сопротивлений по тракту системы.

Децентрализованное отопление, охлаждение и снабжение горячей водой для бытовых нужд

Принцип децентрализации может быть также распространен на отопление, охлаждение и снабжение горячей водой. Отопление квартир осуществляется работающими на газе индивидуальными котлами и водонагревателями, расположенными в каждой отдельной квартире. Подача воздуха и вывод отработанных газов выполняется вверх или вниз с помощью пластиковых труб небольшого диаметра. Отработанные газы и воздух для горения подаются по отдельным воздуховодам, образующим параллельные каналы (рис. 5, 6). Каналы большинства систем могут прокладываться вверх или вниз на четыре-пять этажей.

Кондиционирование воздуха обеспечивается при помощи отдельных внешних блоков, размещаемых на крыше или на уровне первого этажа в сухих углублениях или в гаражах (рис. 7). Таким же образом осуществляется одновременное охлаждение и нагрев при помощи тепловых насосов.

Выводы на крышу концентрируются в нескольких точках и располагаются в отдельных нишах, что позволяет уменьшить общее количество отверстий в крыше. Все кабели, воздуховоды и трубы проводятся через стены ниш. Они имеют съемные крышки, благодаря чему обеспечивается необходимый доступ.

Преимуществами децентрализованной системы отопления, охлаждения и снабжения горячей водой являются: сервис, который может осуществляться гораздо быстрее, техническое обслуживание – выполняться менее квалифицированным персоналом и обходиться дешевле. Проблемы с системами ограничиваются отдельными квартирами и не распространяются на множество квартир или на все здание. Кроме того, во многих регионах установка децентрализованных систем выполняется с меньшими затратами.

Этот стоимостный фактор играет важную роль при проектировании многоквартирных домов в условиях свободного рынка, и разработчики используют указанные подходы исходя из соображений себестоимости. Выбор разработчиками систем редко основывается на их более высокой производительности, большей энергоэффективности и безопасности, а также более высоком качестве внутреннего воздуха, обеспечиваемым этими системами. Большая часть таких систем применяется в основном из экономических соображений.

Центральные системы отопления, охлаждения и снабжения горячей водой не способствуют энерго-сбережению, т. к. если не установлены индивидуальные счетчики, они не стимулируют отдельных пользователей на рациональное потребление. Исходя из предыдущего опыта, можно утверждать, что выполнять раздельные измерения потребления легче в отдельных системах.

В жарком и влажном климате регулирование влажности в жилых помещениях или в зданиях совместного владения при помощи центральных систем, работающих в режиме неполной нагрузки, почти невозможно, если только установленные на крыше агрегаты не подают в коридоры предварительно кондиционированный воздух. Это весомый аргумент в пользу решения вопроса о том, может ли кондиционированный воздух подаваться в отдельные жилые помещения из коридора через отверстия в дверной коробке. В большинстве норм противопожарной безопасности не разрешается применение этого подхода (хотя при изучении таких норм это и не всегда ясно) и содержатся требования подачи всего воздуха по воздуховодам, имеющим дымовые клапаны. При использовании подхода децентрализованного кондиционирования для каждой квартиры предусматриваются отдельные устройства осушения воздуха, размещаемые обычно в стенной нише с оборудованием обработки воздуха.

По существу все, что касается отопления, охлаждения и снабжения горячей водой для отдельных квартир осуществляется таким же образом, как и в одноквартирных домах, вплоть до типа используемого оборудования. Поскольку такие системы предназначены для использования в жилых помещениях, они могут устанавливаться подрядчиками, имеющими менее квалифицированный персонал. Для разработчиков это также является привлекательной особенностью, т. к. в таком случае может быть большое число субподрядчиков, способных выполнять как установку, так и сервисное обслуживание оборудования.

	Рисунок 5. Подача воздуха и вывод отработанных газов из котла, работающего на газе
	Рисунок 6. Подача воздуха и отвод отработанных газов от индивидуальных газовых домашних водонагревателей
	Рисунок 7. Конфигурация систем кондиционирования воздуха или тепловых насосов

Конфигурация вентиляционных систем

Вентиляция частных квартир или квартир в зданиях совместного владения с применением подхода децентрализации должна выполняться согласно требованиям стандарта ANSI/ASHRAE 62.2 «Вентиляция и приемлемое качество воздуха в малоэтажных жилых зданиях».

Конфигурация системы, которой в этой статье отдается предпочтение, показана на рис. 8. Наружный воздух смешивается с рециркуляционным, и смесь подвергается обработке. Для обеспечения минимальной вентиляции и предотвращения избыточной вентиляции заслонка, приводимая в действие электродвигателем, и вентилятор системы обработки воздуха регулируются программируемым термостатом или другим устройством. Отработанный воздух удаляется из кухонь и ванных комнат непосредственно наружу при помощи вентилятора (или вентиляторов) с переменным режимом работы, регулируемым жильцами. Гораздо удобнее, когда вентилятор регулируется переключателем со встроенным таймером, отключающим вентилятор вытяжного воздуха через заранее заданные промежутки времени (например, через 10 минут), что является обычной практикой в отелях и медицинских учреждениях. Отвод из сушилок должен осуществляться непосредственно в атмосферу (рис. 10). Лучшим подходом, по мнению автора, является применение конденсационных сушилок, не требующих вывода во внешнюю среду. Вода из одежды конденсируется и сливается в канализацию. Не возникает никакого вывода в атмосферу. Такой подход имеет очевидные плюсы, заключающиеся в том, что здесь не требуется кондиционированный воздух, что является большим преимуществом в жарком и влажном климате, где велика нагрузка от скрытой теплоты, не говоря уже о преимуществах в холодном климате, связанных с регенерацией теплоты. В жарком и влажном климате расход вытяжного воздуха, равный 94 л/с, вызывает нагрузку, приблизительно равную 3,5 кВт (1 тонна охлаждения). Во время работы в режиме неполной нагрузки такой расход почти целиком связан со скрытой нагрузкой, благодаря чему существенно изменяется соотношение явной и скрытой нагрузки.

Не все помещения, жилые или находящиеся в совместном владении, проектируются и строятся с системами обработки воздуха. Многие квартиры имеют электрическое отопление и не имеют систем кондиционирования. В других квартирах имеются раздельные агрегатированные тепловые насосы, обеспечивающие отопление и охлаждение. На рис. 11 и 12 иллюстрируется подход децентрализации для таких квартир.

Вывод вытяжного воздуха обеспечивается при помощи непрерывно работающего вытяжного вентилятора, а приточный воздух подается по воздуховоду наружного воздуха. Это не лучшее решение, т. к. в нем используется инфильтрация. Выводимый воздух компенсируется инфильтрационным воздухом через воздуховод. Опыт показывает, что такой подход наилучшим образом работает при эффективном разделении (воздухонепроницаемость квартир должна удовлетворять требуемой, выражающейся значением 2 л/(с • м²) при 75 Па), ограничивающем количество воздуха, проникающего из соседних квартир и из коридора. Это оптимальным образом обеспечивается при использовании воздуховода наружного воздуха, служащего источником приточного воздуха.

На рис. 13 показан лучший подход, при котором как приток, так и вытяжка воздуха обеспечиваются вентиляторами теплообменника. Стоимость оборудования при таком подходе существенно выше, чем для подходов, представленных на рис. 11 и 12. Однако он имеет преимущества, связанные с уменьшением эксплуатационных расходов (особенно в экстремально холодном или жарком и влажном климате). Кроме того, в нем исключается естественный приток.

Рисунок 8. Установка обработки наружного воздуха. Приводимый в действие электродвигателем трехходовой клапан изменяет соотношение наружного и рециркуляционного воздуха. Регулирование клапана и установки обработки воздуха осуществляется программируемым термостатом или другим контроллером. Вентиляторы в кухнях и ванных комнатах время от времени регулируются жильцами

Рисунок 9. Устройство осушения с установкой обработки воздуха. Устройство осушения добавлено для контроля влажности при неполной нагрузке в жарком и влажном климате

Рисунок 10. Сушилка

Рисунок 11. Каналы удаляемого и наружного воздуха

Рисунок 12. Каналы удаляемого и наружного воздуха. Терминальный кондиционер – тепловой насос. Схема аналогична представленной на рис. 11, за исключением того, что добавляется кондиционирование воздуха при помощи кондиционера – теплового насоса

Рисунок 13. Теплообменник с вентиляторами

Выводы

Разделение внутреннего пространства здания, а также жилых квартир и помещений, находящихся в совместном владении, которое предназначено для регулирования внутренних потоков воздуха, обусловленных естественным давлением, может быть распространено на системы вентиляции и системы отопления, охлаждения и снабжения горячей водой. Это приводит к реализации децентрализованных систем, обеспечивающих регулирование, техническое обслуживание, замену и измерение потребления отдельно в каждой квартире.

Такой подход обеспечивает лучшую защиту от распространения огня и дыма, большую эффективность потребления энергии, больший комфорт, увеличение срока службы оборудования и более высокое качество внутреннего воздуха.

 

Перепечатано с сокращениями из журнала «ASHRAE». Перевод с английского Л. И. Баранова. Научное редактирование выполнено профессором, канд. техн. наук Е. Г. Малявиной.