Применение естественной вентиляции для городских зданий

1. Влияние городского квартала на потенциал естественной вентиляции

1.1. Влияние скорости ветра

По сравнению с невозмущенным ветром в сельских районах, ветер в городском квартале характеризуется нерегулярностью потока из-за городского пейзажа, архитектуры зданий, расположения зданий и улиц. Знание скорости воздуха в городских кварталах имеет большое значение для пассивного охлаждения и, особенно, для зданий с естественной вентиляцией. Для вычисления скорости ветра в городских кварталах существуют различные методы расчета, упрощенные и точные. Задача определения воздушных потоков в городе не всегда имеет однозначное решение, а алгоритмы расчетов не могут быть едиными для всех без исключения случаев. Кроме того, трудно правильно указать граничные условия, и они не всегда известны. В рамках международного проекта URBVENT European Project (2000) был разработан метод расчета, основанный на экспериментальных данных. Входными данными служат ориентация квартала, геометрические характеристики (ширина, высота и длина квартала без пересечений) и скорость невозмущенного ветра (величина и направление скорости ветра вне квартала). Результатами расчета является распределение скорости ветра в любой точке квартала с координатами (x, y, z).

Рисунок 1. Учет критерия шума при проектировании: 1 – область естественной вентиляции возможна; 2 – область естественной вентиляции невозможна; 3 – область естественной вентиляции не определена

1.2. Влияние температуры наружного воздуха

Распределение температуры наружного воздуха в городе в большой степени зависит от радиационного баланса и теплообмена между поверхностью зданий и окружающей средой посредством излучения, конвекции и теплопроводности. Интенсивность теплообмена зависит от теплотехнических и оптических характеристик материалов. Важное значение имеет альбедо – характеристика отражательной способности поверхности: отношение потока излучения, рассеянного поверхностью по всем направлениям, к падающему на нее потоку. Кроме того, ориентация здания и продолжительность солнечной радиации влияют на рас-пределение температуры.

В зависимости от особенностей города, геометрии квартала, теплотехнических характеристик материалов и интенсивности тепловыделений температура наружного воздуха внутри квартала выше, чем за городом. Это приводит к появлению эффекта тепловых островов внутри города. Экспериментальные измерения полей температур в не-скольких кварталах города показали:

• Температура поверхности выше, чем температура воздуха внутри городского квартала.

• Температура поверхности зависит от ее ориентации: фасады, ориентированные на юг, юго-восток и юго-запад, могут за день прогреться до более высоких температур, чем фасады, ориентированные на север, северо-восток и северо-запад.

• Температура поверхности зависит от угла наклона и материала. Горизонтальные поверхности получают больше солнечной энергии, чем вертикальные. Температура поверхности изменяется также по высоте.

1.3. Влияние наружного загрязнения

Наружное загрязнение воздуха – серьезное ограничение для естественной вентиляции в городских условиях. Высокий уровень наружного загрязнения обусловливает низкое качество внутреннего воздуха, плохие условия жизни, разрушающее воздействие на здания и памятники архитектуры. Согласно данным Всемирной организации здравоохранения, среди вредных веществ преобладают: диоксид серы, диоксид азота, угарный газ, озон, свинец и макрочастицы. Предельно допустимые концентрации этих веществ приведены в справочниках (WHO 2000). Вредные вещества внутреннего воздуха включают табачный дым, макрочастицы (органические и неорганические), летучие органические компоненты, окись азота, свинец, радон, окись углерода, асбест, различные синтетические химикаты и другие вещества. Нормативные документы и возможные способы борьбы с загрязнениями предписывают: «Воздухозаборные устройства следует размещать на достаточном удалении от источников загрязнений». Альтернативой естественной вентиляции является принудительная вентиляция с фильтрацией, либо принудительная вытяжная вентиляция, либо очистка воздуха. CIBSE (The Chartered Institution of Building Services Engineers – Институт инженеров по обслуживанию зданий) выпустил методическое пособие о природе и параметрах вредных веществ в наружном воздухе и способах учета влияния этих загрязнений на качество внутреннего воздуха. Это пособие содержит рекомендации по размещению воздухозаборных устройств для минимизации загрязнения приточного воздуха источниками вредных веществ.

1.4. Влияние городского шума

Шум часто является тем решающим фактором, который исключает применение естественной вентиляции и предопределяет использование кондиционирования воздуха. Измерения показали, что уровень шума в городе зависит от геометрии квартала и интенсивности движения городского транспорта. Кроме того:

• Уровень шума тем ниже, чем выше расположен этаж.

• Предельно достижимая величина снижения уровня шума зависит, в основном, от соотношения сторон.

• Плотность движения транспорта, как и уровень шума, возрастают с уменьшением ширины улицы.

• Балконы могут снизить уровень шума на 2–3 дБ(A) в зависимости от высоты этажа.

При проектировании зданий с естественной вентиляцией могут быть применены различные способы снижения уровня шума. Теоретические исследования зависимости кратности воздухообмена и уровня шума для типовых фасадов с вентиляционными отверстиями показали:

• При правильном проектировании нормативные кратности воздухообмена могут быть достигнуты в сочетании с хорошим качеством внутреннего воздуха и приемлемым уровнем шума.

• Применение гибридной вентиляции может позволить использовать естественную вентиляцию в тех случаях, когда уровень уличного шума не допускает использование естественной вентиляции в традиционном виде.

Исследования показали, что для европейских офисов приемлемый уровень звукового давления равен 60 дБ(A). Окна понижают уровень шума на 10 дБ(A). Таким образом, уличный шум около 70 дБ(A) допустим для применения естественной вентиляции.

2. Оценка естественной вентиляции

Экспериментальное исследование потенциала естественной вентиляции в городских условиях для офисных и школьных зданий в зависимости от концентрации вредных веществ в наружном воздухе показало:

• Кратность воздухообмена является определяющим фактором при формировании качества воздуха в зданиях с естественной вентиляцией. Чем больше приток наружного воздуха, тем выше внутри дома концентрация веществ, содержащихся в наружном воздухе.

• В городских условиях концентрация вредных веществ во внутреннем воздухе (диоксид серы, окись азота, угарный газ и углекислый газ) в зданиях с естественной вентиляцией выше, чем в кондиционируемых зданиях. В некоторых случаях, однако, концентрация вредных веществ во внутреннем воздухе кондиционируемого здания может быть очень высока, если возможно проникновение продуктов сгорания из топочной в другие помещения через систему вентиляции.

• При любой принятой системе вентиляции качество внутреннего воздуха зависит от назначения здания. Например, в школьных зданиях качество внутреннего воздуха в классных комнатах существенно зависит от количества учащихся и их активности.

• При малых скоростях ветра сквозная вентиляция (проветривание) комнаты с двумя и более окнами, расположенными на противоположных фасадах, может обеспечить требуемый воздухообмен. Сквозная вентиляция в штилевую погоду (скорость ветра менее 0,2 м/с) представляется более эффективной, чем вентиляция комнат с окнами на один фасад.

• В городских условиях вентиляция в ночное время может привести к снижению температуры на 2,5 °С ниже дневной температуры при естественной вентиляции здания и на 1 °С в кондиционируемых зданиях. Однако охлаждающий потенциал ночной вентиляции для конкретного здания есть функция многих параметров: архитектура здания и материалы, климатические условия, ориентация здания, принятая кратность воздухообмена, эффективность теплообмена воздушных потоков внутри здания, условия эксплуатации здания.

Для десяти типовых, различных по конфигурации городских кварталов были определены характеристики систем вентиляции помещений с окнами, открывающимися на один или два фасада. Одновременно оценивалась для этих же кварталов эффективность вентиляции в ночное время, рассмотрены естественная и принудительная вентиляция, сквозное и одностороннее проветривание.

Анализ показал:

• Потенциал естественной вентиляции в городских условиях существенно уменьшается в связи с уменьшением скорости ветра внутри городского квартала. Расход воздуха может оказаться в 10 раз меньше расхода воздуха при скоростях невозмущенного потока вне города.

• Потенциал вентиляции в ночное время значительно снижается из-за увеличения температуры воздуха и снижения скорости ветра внутри квартала.

Другое исследование потенциала ночной вентиляции показало, что при расчетах ночного охлаждения в расчет следует принимать повышенную температуру наружного воздуха из-за эффекта «теплового острова», т. к. это может существенно сказаться на результатах.

Рисунок 2. Схемы вентилируемых фасадов с вариантами движения вентилирующего воздуха (источник: Double Skin Facades for Office Buildings / Literature Review. Division of Energy and Building Design, Department of Construction and Architecture. Lund University, 2004, Harris Poirazis)

3. Способы повышения эффективности естественной вентиляции в городских условиях

При использовании естественной вентиляции в городских условиях следует принять во внимание пониженные скорости ветра, шум и загрязнения наружного воздуха. Для увеличения расхода воздуха следует рассмотреть иную технику, нежели окна, например: сбалансированный воздухообмен через шахты, испарительное охлаждение, вентилируемые фасады, использование солнечной радиации и вентиляторы.

3.1. Естественная сбалансированная вентиляция через шахты

Способ сбалансированного воздухообмена через вентиляционные шахты предусматривает вход и выход воздуха при различных температурах: наружный воздух поступает в холодную шахту (то есть с температурой, близкой к температуре окружающей среды, за счет соответствующей теплоизоляции шахты) и удаляется из теплой шахты. Высокое расположение воздухозабора гарантирует высокое ветровое давление на входе и нечувствительность к направлению ветра. Размещение воздухозабора выше кровли, где концентрация вредных веществ ниже, чем на улице, и независимость от величины и направления скорости ветра делают этот способ очень привлекательным для городских условий.

3.2. Естественная вентиляция с испарительным охлаждением

Естественная вентиляция с испарительным охлаждением аналогична способу сбалансированного воздухообмена через шахты с добавлением испарительного охлаждения в приточной шахте. Обычно испарительное охлаждение осуществлялось с помощью размещенных в шахте пористых горшков, наполненных водой, или с помощью водяной ванны на дне приточной шахты. В последних разработках вода распыляется в верхней части шахты, что охлаждает поток воздуха и увеличивает гравитационное давление.

3.3. Вентилируемый фасад

Вентилируемый фасад – это конструкция, состоящая из двух стеклопакетов, разделенных вентилируемым пространством – плоским каналом. Ширина канала может меняться от 15 см до 2 м, и его вентиляция может быть независимой, принудительной или отсутствовать. При любом типе вентиляции канала источник и назначение вентилирующего воздуха могут быть различными, соответствующими, главным образом, климатическим условиям, расположению и режиму эксплуатации здания и типу системы отопления, вентиляции и кондиционирования. Как правило, внутри канала размещают жалюзи для защиты от солнечной радиации. В городских условиях вентилируемый фасад обеспечивает звукоизоляцию, дополнительное затенение, увеличение гравитационного давления, т. к. внутренние и наружные ограждения функционируют индивидуально и почти независимо от ветра и погоды, повышают эффективность ночного охлаждения. Однако если этот способ применен без учета особенностей местного климата, могут возникнуть проблемы, например, перегрев здания.

3.4. Солнечное побуждение естественной вентиляции

Метод теплового побуждения естественной вентиляции с помощью солнечной радиации обеспечивает увеличение разности между температурами внутреннего и наружного воздуха нагреванием воздуха внутри вентиляционной шахты, увеличивая, таким образом, гравитационное давление. Этот метод очень полезен для зданий с естественной вентиляцией в городских кварталах, где скорость ветра и соответствующие расходы воздуха недостаточны.

3.5. Механическое побуждение естественной вентиляции

Механическое побуждение естественной вентиляции с помощью вентилятора приходится применять в тех случаях, когда естественная вентиляция не может обеспечить расход воздуха, достаточный для создания комфортных условий и соответствия требованиям качества внутреннего воздуха. Такая ситуация возможна в городских зданиях из-за низкой скорости ветра, из-за конструкции окон или особенностей климата. В этих случаях естественной вентиляции помогает вентилятор. Вентиляторы могут быть установлены на вентиляционных шахтах, на окнах или в стенах.

Рисунок 3. Схема естественной вентиляции с солнечным побуждением: a) режим вентиляции; б) режим отопления

Перепечатано с сокращениями из журнала «REHVA».

Перевод и научное редактирование выполнено В. П. Харитоновым, доктором техн. наук.