Естественная вентиляция с побуждением

В. П. Харитонов, доктор техн. наук, профессор МГТУ им. Н. Э. Баумана, лектор мастер-класса АВОК

В общем потоке жалоб населения на бытовые неудобства (недостатки в электро- и водоснабжении, отоплении, плохое состояние кровли, стен и окон и т. п.) жалобы на вентиляцию в прошлом практически отсутствовали, но в последние годы они стали обычным явлением, предметом разбирательств и судебных исков. Единственная причина жалоб на вентиляцию в нашей стране сегодня – это плохая, недостаточная вентиляция.

Специалисты говорят о плохой работе вентиляции в двух случаях.

Во-первых, когда она не обеспечивает нормативного воздухообмена в каждой из комнат, либо вытяжные вентиляционные решетки работают как приточные, открывая доступ в комнату воздуху из вытяжного коллективного канала (обратная тяга).

Во-вторых, когда вентиляция избыточна. Например, в зимнее время воздухообмен может в несколько раз превышать нормативное значение.

И то, и другое плохо.

Недостаточный воздухообмен губителен для нашего здоровья, в особенности, для детей. Недостаток свежего воздуха приводит к повышению относительной влажности, способствует созданию болезнетворной микрофлоры в квартире, появлению плесени, грибков и насекомых, загрязнению воздуха вредными микропримесями (продуктами жизнедеятельности человеческого организма, газовыделениями кухни, санузлов, бытовой химии, выделениями запахов и вредных веществ современными отделочными и мебельными материалами, игрушками, электроприборами, факсами, принтерами, ксероксами, компьютерами и т. п.). Большинство из нас, не говоря уже о детях, проводит дома большую часть времени суток, и здоровая атмосфера в доме чрезвычайно важна для семейного благополучия.

Главная причина плохой, недостаточной вентиляции объясняется непреложным законом: нет вытяжки без притока. В старых домах инфильтрация была достаточной и даже чрезмерной: пожилые люди помнят, как осенью все конопатили щели в окнах ватой и заклеивали их бумагой, весной окна очищали и отмывали; свободными в течение всего года оставались форточки – обязательная принадлежность каждого окна. Ныне ситуация изменилась. Современные конструкции зданий из монолитного железобетона с окнами из стеклопакетов и с герметичными дверями квартир обладают очень низкой воздухопроницаемостью, инфильтрация слишком мала для нормативного притока, а без притока нет и вытяжки. Вторая причина недостаточной естественной вентиляции – кондиционирование помещений: если температура воздуха в комнате ниже температуры наружного воздуха, то естественная вытяжка по своей природе невозможна, зачастую мы наблюдаем в этом случае обратную тягу.

Ухудшают работу естественной вытяжки и другие факторы: теплые чердаки, разноуровневые секции (малоэтажная секция оказывается в зоне аэродинамической тени), строительство многоэтажных зданий рядом с малоэтажными, недопустимая конструкция оголовка вытяжного вентиляционного канала, самовольное изменение жильцами конструкции коллективного канала, установка жильцами вытяжных вентиляторов и, почти повсеместно, отсутствие технического обслуживания и контроля состояния систем вентиляции здания.

Избыточная вентиляция зимой приводит к неоправданным расходам энергии на отопление. При росте цен на тепло в несколько раз или даже до европейского уровня, а это время, вероятно, не за горами, нам придется относиться к экономии энергии в своей квартире так же трепетно, как это давно делают европейцы.

Тема заголовка, однако, относится только к первому аспекту, к способам обеспечения достаточного воздухообмена, достаточного с точки зрения медицины. Нормы воздухообмена для жилых зданий обоснованы, утверждены и подлежат безусловному соблюдению.

Принцип действия естественной вентиляции в ее классическом исполнении основан на разности плотности воздуха снаружи и внутри помещения: движущая сила процесса, так называемое гравитационное давление, прямопропорциональна разности плотностей воздуха и высоте вытяжного «теплого» канала.

Расчет естественной вентиляции и выбор сечения каналов проводится в соответствии с действующими нормативами для температуры наружного воздуха 5 °С и температуры внутри помещения 20 °С. Именно при этих температурах воздухообмен соответствует санитарным нормам.

Физическая природа естественной вентиляции предопределяет снижение ее эффективности при температуре наружного воздуха выше 5 °С. В жаркое время года температурный фактор в кондиционируемых помещениях становится и вовсе отрицательным. Кроме того, для нормальной работы естественной вентиляции необходим приток свежего воздуха (через щели в оконных переплетах, воздушные клапаны, приоткрытые окна) и возможность свободного перетока воздуха из комнат к вытяжным устройствам на кухне и в санузлах. Ухудшить естественную вентиляцию может и неблагоприятное направление ветра, и аэродинамическая тень, в которой может оказаться кровля, и засорение или несанкционированное изменение геометрии вытяжного канала. Для многоэтажных зданий эффективность естественной вентиляции для разных этажей различна; критической, как правило, становится ситуация на последних двух этажах.

Однако известны способы, улучшающие естественную вентиляцию при прочих равных условиях, но, к сожалению, не являющиеся столь радикальными, как механическая вентиляция. Некоторые из них чрезвычайно просты и дешевы, другие требуют затрат.

Тепловое побуждение естественной вентиляции

Является одним из древних способов, о нем упоминается в книгах позапрошлого века. Речь идет о подогреве вытяжных каналов. Для обеспечения расчетного воздухообмена в течение всего лета достаточно подогреть вентканал на 15 °С выше температуры наружного воздуха. Частично канал подогревается теплом кухонной плиты и теплым влажным воздухом при пользовании ванной или душем. Эта «помощь» не постоянна, но она действует именно тогда, когда она особенно нужна. Усилить летом эффект подогрева вытяжного канала от кухонной плиты и в то же время уменьшить перегрев кухни можно с помощью кухонного зонта с отводом горячего воздуха и/или продуктов сгорания по воздуховоду непосредственно в вытяжной стояк.

Достаточно просто реализовать тепловое побуждение в частном загородном доме, коттедже и в домах с индивидуальным тепловым пунктом. В коттедже круг-логодично работает котел и его контуры горячего водоснабжения, теплых полов и в некоторых случаях бассейна. Существует реальная возможность использования энергии продуктов сгорания для подогрева вытяжных каналов. Второй путь – добавить еще один автономный контур с автоматикой для подогрева вытяжных каналов. Вопросы определения энергоемкости этого способа и пути ее снижения, а также проектные решения рассматриваются в мастер-классе по данной теме.

Рисунок 1. Визуализация дефлектора ASTATO	Рисунок 2. Дефлектор ДС710 в г. Жуковский (12 шт. на одной кровле)

Ветровое побуждение естественной вентиляции

Является одним из широко известных и применяемых способов интенсификации воздухообмена. Ветровое побуждение – это использование энергии ветра для эжекции отработанного воздуха из вентиляционных каналов. С самого начала все дефлекторы стали делать симметричными относительно вертикальной оси и неподвижными, т. к. вращающиеся дефлекторы (флюгарки) были признаны непрактичными в условиях наших зим. Главное внимание уделялось способности дефлектора создавать максимальное разрежение при одинаковой скорости ветра и сохранять свою эффективность при наклонах скорости ветра в вертикальной плоскости.

Дефлекторы имеют богатую и, к сожалению, забытую историю и трудовую биографию, достойную уважения. Они применялись с середины ХIХ века на зданиях и на транспортных средствах, испытывались в натурных условиях и в аэродинамических трубах. Статические дефлекторы используют сейчас в качестве устройств выброса воздуха из индивидуальных и коллективных каналов естественной вентиляции, индивидуальных и коллективных дымоходов, каналов выброса продуктов сгорания газа, стволов мусоропроводов. Их применяют на зданиях любой этажности, на новостройках и реконструируемых зданиях.

Принцип действия дефлектора основан на использовании эффекта Бернулли: чем выше скорость потока при изменении поперечного сечения канала, тем меньше статическое давление в этом сечении.

Наиболее эффективны дефлекторы с открытой проточной частью (тарельчатый дефлектор (Труды ЦАГИ, № 123, 1936 год), дефлектор ASTATO, дефлектор ДС) [1-3].

Установлены два параметра эффективности дефлектора:

z – коэффициент местных потерь;

C – коэффициент давления (разрежения).

Коэффициент местных потерь представляет собой коэффициент пропорциональности в формуле Вейсбаха-Дарси и позволяет рассчитать собственные потери давления в самом дефлекторе:

DP_d = 0,5 z r V_d²,

где V_d – скорость в дефлекторе, м/с;

r – плотность воздуха, кг/м³;

DP_d – потери давления в дефлекторе, Па;

z – коэффициент местных потерь.

Для дефлекторов серии ДС коэффициент местных потерь равен 1,4 (при длине трубы дефлектора 0,5 м).

Коэффициент давления (разрежения) С равен отношению разности полного давления в вентиляционном канале и статического давления снаружи него к скоростному напору ветра. Коэффициент давления позволяет рассчитать дополнительное ветровое давление (разрежение) DP_v, создаваемое дефлектором при наличии ветра:

DP_v = 0,5 C r V²,

где С – коэффициент разрежения для дефлектора серии ДС, равный 0,75 при отклонениях направления ветра от горизонтальной плоскости не более 30° и 0,6 при отклонениях до 60°;

V – скорость ветра, м/с;

r – плотность воздуха, кг/м³.

В абсолютных цифрах эффективность дефлектора ДС отражена в таблице для условий: температура воздуха 25 °С, относительная влажность 50 %, плотность воздуха 1,177 кг/м³.

Рисунок 3. Дефлекторы ASTATO на дымоходе и на вытяжных каналах коттеджа в Подмосковье

Статические дефлекторы серии ДС (Россия) (рис. 2, 4) и дефлекторы ASTATO (Франция) (рис. 1, 3, 5) сегодня обладают наилучшими аэродинамическими параметрами и совместимы с механическими средствами побуждения. Дефлекторы ДС выпускаются по ТУ 4863-002-51056717-03, введенным в действие 23 октября 2003 года и зарегистрированным Госстандартом за № 200/046008, сертификат соответствия № РОСС RU.МГ01.В01293.

Эффективность дефлектора ДС

Скорость ветра, м/с 5 7 10 Дополнительное ветровое разрежение, Па 11,0 21,6 44,1

Несмотря на очевидную выгоду от применения дефлекторов, хорошо развитую теорию, массовое производство, широкий ассортимент и низкую стоимость, дефлекторы в 1990-е годы применялись очень редко. Сегодня большую часть вентиляционных шахт венчают обычные зонтики, шатры, навесы или сплошные перекрытия с вертикальными решетками по бокам.

Рисунок 4. Дефлектор ДС630 на объединенном канале	Рисунок 5. Обледенение дефлектора ASTATO

Это не просто упущенные возможности улучшить вентиляцию: нередко пренебрежение вековым опытом приводит к серьезным ошибкам, снижению и опрокидыванию тяги.

В настоящее время интерес к дефлекторам возрождается повсеместно: Подмосковье, Санкт-Петербург, Самара, Ногинск; в Москве современные дефлекторы установлены на ул. Бахрушина, Профсоюзная, в 3-м Самотечном переулке и др. Разработаны методики подбора дефлекторов по скорости ветра, по полному или дополнительному разрежению; в распоряжение проектных организаций предоставлены расчетные методики, графики и таблицы. Монтажные организации располагают инструкциями по монтажу дефлекторов, объединению вытяжных каналов. К сожалению, все достоинства статических дефлекторов исчезают в штилевую погоду, но и в этом случае вреда они не приносят, т. к. вентиляционный канал остается полностью открытым.

В сильные и длительные морозы в трубах, расположенных над кровлей и предназначенных для отвода воздуха из системы вентиляции и канализации, может намерзать лед, вплоть до полной закупорки проходного сечения. Нечто подобное, правда, не приводящее к сужению сечения вентиляционного канала, наблюдается и в дефлекторах. В дефлекторах ЦАГИ это заметить трудно, т. к. обледенение происходит прежде всего на внутренней поверхности внешнего цилиндра и скрыто от наблюдения. Но в дефлекторах с открытой проточной частью обледенение начинается с периферии нижнего конуса и хорошо видно (рис. 5).

В программу мастер-класса входит обсуждение этого явления и способов его устранения.

Рисунок 6. Схема эжекционной системы вентиляции NAVAIR

Механическое побуждение естественной вентиляции

Это попытка сохранить естественную вентиляцию практически без изменений, но использовать все преимущества механической вентиляции при малых капитальных и минимальных эксплуатационных затратах.

Мы имеем опыт применения нескольких подобных систем:

– стато-динамические дефлекторы ASTATO;

– эжекционная система NAVAIR;

– сочетание статического дефлектора с осевым эжектирующим вентилятором.

Общее в этих системах:

– автоматическое включение вентилятора при снижении разрежения ниже допустимого;

– при выключенном вентиляторе работают как системы естественной вентиляции.

Стато-динамические дефлекторы ASTATO являются комбинированным средством ветрового и механического побуждения естественной вентиляции. Стато-динамический дефлектор при выключенном электродвигателе обладает техническими характеристиками статического дефлектора того же номинального диаметра и создает разрежение, равное сумме гравитационного и ветрового давлений. При включенном электродвигателе он не нарушает аэродинамику вентиляционного канала и создает разрежение, равное сумме гравитационного давления и напора вентилятора (до 35 Па).

Таким образом, в тех случаях, когда гравитационное и ветровое давление в сумме достаточны для нормальной работы естественной вентиляции (весь отопительный период, ночи в переходные периоды, периоды похолодания или ветреной погоды), вентилятор может быть отключен. Техническое обслуживание, ремонт и замена стато-динамического дефлектора не приводит к нарушению работы системы естественной вентиляции.

Количество электроэнергии, потребляемой стато-динамическим дефлектором, крайне незначительно: электродвигатель включается в работу только в случае необходимости, не более 20 % всего времени в году. Удельная мощность электродвигателя стато-динамического дефлектора не превышает 25 Вт на каждые 100 м³/ч удаляемого воздуха. Стато-динамические дефлекторы способны обеспечить необходимое разрежение в зоне аэродинамической тени, в системах вентиляции разноуровневых зданий. Гарантия – 10 лет.

Необходимо помнить: система вентиляции со стато-динамическим дефлектором является, прежде всего, системой естественной вентиляции и должна проектироваться в согласии с соответствующими нормативными документами.

Применяются следующие способы автоматизации стато-динамических дефлекторов:

1. Автоматическое включение двигателя по сигналу датчика перепада давления на выходе из вентиляционного канала; выключение двигателя осуществляется с помощью реле времени (например, через 60 мин. работы).

2. Автоматическое включение двигателя по сигналу датчика температуры наружного воздуха с регулируемым дифференциалом.

3. Автоматическое включение и выключение двигателя по временной программе с помощью суточного или недельного реле времени.

В любом случае предусматривается возможность ручного управления дефлектором.

Эжекционная система вентиляции NAVAIR [4] (рис. 6) состоит из обычной традиционной системы естественной вентиляции, статических дефлекторов, одного высоконапорного вентилятора, системы воздухопроводов и эжектирующих насадок, которые устанавливаются внутри вентиляционных стволов в местах крепления дефлекторов. Вышедшая из сопла струя воздуха устремляется по вертикальной оси вентиляционного канала вверх с большой скоростью (обычно это 30–50 м/с) и увлекает с собой вверх воздух из нижней части вентиляционного канала. В результате обмена энергии между быстрыми и медленными струйками воздуха скорость воздуха в канале ниже сопла увеличивается, скорость воздуха в струе падает, общий расход воздуха в вентиляционном канале увеличивается в несколько раз.

Отношение расхода эжектируемого воздуха к расходу эжектирующего воздуха называется коэффициентом эжекции. Экспериментальные значения коэффициента эжекции превышают значение 6 при нулевом термическом и ветровом давлении. Фактическое значение коэффициента эжекции достигало 15. Эжекционная система вентиляции обеспечивает нормативный воздухообмен в течение всего года при любых погодных условиях, является менее энергоемкой системой по сравнению с механической системой вентиляции, более надежна и более проста, чем механическая система вентиляции.

Эжекционная система вентиляции не подавляет термический и ветровой эффекты систем вентиляции, т. к. она не изменяет гидравлическое сопротивление каналов системы естественной вентиляции, а она легко устанавливается на существующие здания, поскольку все ее элементы монтируются на оголовке вентиляционного канала, на кровле или чердаке.

Эжекционная система вентиляции с одним вентилятором может обслуживать одновременно не-сколько вентиляционных стволов разного назначения. При остановке вентилятора (на техническое обслуживание или ремонт, из-за поломки или отключения электричества) система вентиляции продолжает функционировать как обычная система естественной вентиляции.

Эжекционная система вентиляции может применяться в крупных многоквартирных зданиях и в частных односемейных домах. Методики и рекомендации по проектированию, подбору вентилятора и сопел, сведения о системе управления, технико-экономические характеристики, опыт применения входят в программу мастер-класса по данной теме.

Рисунок 7. Статический дефлектор с осевым эжектирующим вентилятором

Статический дефлектор (рис. 7) и осевой эжектирующий вентилятор (рис. 8) – это новая технология, которая родилась в Москве сразу в двух исполнениях. Первое принадлежит М. А. Малахову (Моспроект-2, мастерская 11) и подробно описано ранее [5]. Второе решение было применено для вытяжной вентиляции зала ожидания вокзала в г. Наро-Фоминске. На оголовках вентиляционных каналов на кровле установлены статические дефлекторы ДС630 (1), а непосредственно под ними внутри вентиляционного канала смонтированы осевые низконапорные малошумные осевые вентиляторы (2) серии Е [6], включаемые в работу по датчику давления (3) только при малой величине гравитационного давления. К теплоизолированному стакану (4) из оцинкованной стали присоединены шумопоглощающие круглые воздуховоды (5) длиной 1 м и дренаж (6), размещенные над фальшпотолком (7).

Рисунок 8. Осевой эжектирующий вентилятор

При благоприятных климатических условиях описанная система работает как обычная система естественной вентиляции с ветровым побуждением (статический дефлектор). При снижении термического и ветрового давлений включается осевой вентилятор, который восстанавливает требуемую тягу.

Двухлетний опыт эксплуатации подтвердил достоинства такого решения: круглогодичное функционирование, простота, бесшумность, экономичность, надежность и невысокая стоимость.

Литература

1. Мусатов Б. Т. Вентиляционные дефлекторы // Технические заметки. – М. : ЦАГИ, 1936. – № 123.

2. Amphous A., Харитонов В. П. Дефлекторы АСТАТО и проблема энергосбережения: Материалы 3-го форума Heat&Vent. – М., 2001.

3. Одноволова О. В. Опытные образцы приточных устройств и дефлекторов для естественной и естественно-механической вентиляции жилых зданий: Материалы 5-го форума Heat&Vent. – М., 2003.

4. Olivia Noel and oth. Natural ventilation activated by induction // Proceedings 21st AIVC Annual Conference. Innovations in Ventilation Technology. – 26–29 September. – 2000.

5. Малахов М. А. Проект естественно-механической вентиляции жилого дома в Москве // АВОК. – 2003. – № 3.

6. Fabio F., Одноволов И. Т. Полупромышленные вентиляторы фирмы VORTICE: Материалы 2-го форума Heat&Vent. – М., 2000.

Читать другие статьи по данной теме

- Естественная вентиляция жилых зданий - Применение естественной вентиляции для городских зданий - Проект естественно-механической вентиляции жилого дома в Москве - Возможность естественной вентиляции для высотных зданий - Гибридная вентиляция в многоэтажных жилых зданиях - Системы естественно-механической вентиляции в жилых зданиях с теплыми чердаками - Энергоэффективное высотное здание - Опыт проектирования естественно-механической вентиляции в жилых зданиях с теплыми чердаками - Механическая вентиляция - путь к комфорту и энергосбережению