Устойчивость работы систем естественной вентиляции многоквартирных жилых зданий

Г. Я. Волов, канд. техн. наук, директор ОДО «Энерговент» (Минск), energovent@open.by

Системы естественной вентиляции – наиболее распространенные системы вентиляции многоквартирных жилых зданий, которые повсеместно используются вплоть до сегодняшних дней. Понятны основные причины, которые легли в основу применения таких систем в практике строительства: простота и практически полное отсутствие эксплуатационных затрат.

Разработки В. В. Батурина, П. Н. Каменева, И. Ф. Ливчака, В. Е. Константиновой, М. М. Грудзинского и др. позволили понять и правильно применить основные механизмы работы систем естественной вентиляции. Однако хорошо известны и недостатки таких систем, которые проявились в домах постройки 50–80-х годов прошлого века. Это и проникновение запахов из нижележащих этажей на вышележащие, и повышенная инфильтрация, особенно в холодный период года и в ветреную погоду, и зависимость воздухообмена от температуры наружного воздуха и высоты этажа, на котором располагается квартира. Для решения проблем дискомфорта, да и в рамках борьбы за энергосбережение, появились эффективные окна (оконные блоки) с высоким термическим сопротивлением и исключительно низкой воздухопроницаемостью. Также нашли свое применение механические вытяжки над кухонными плитами и бытовые вытяжные вентиляторы в санитарных узлах (ванных комнатах). Появление новых герметичных окон и местной вытяжной вентиляции привело как к устранению вышеизложенных проблем, так и к появлению новых: критическому уменьшению воздухообмена квартир, росту относительной влажности выше допустимой, опрокидыванию вентиляции в каналах-спутниках. Эти проблемы не были отражены в классических разработках, и поэтому представляют интерес такие современные исследования, в которых анализируются новые проблемы. Можно отметить работы А. Д. Кривошеина [1], Е. Г. Малявиной [2] и др. Особенно следует отметить работы А. Д. Кривошеина в части выявления неустойчивости работы систем естественной вентиляции и опрокидывания вентиляции в рамках применяемых для расчета математических моделей.

Насколько можно понять (в статьях не всегда подробно приводятся алгоритмы расчетов), все вышеперечисленные авторы описывали воздушные потоки в зданиях в виде графовой структуры, узлами которой являются отдельные помещения. При этом придерживались следующих допущений: а) воздух является несжимаемой средой (отсюда и закон сохранения массы в узлах) и б) поведение здания квазистационарное (при каждом из граничных условий ищется одно стационарное решение), а динамический переход (переходной процесс) – это переход из одного стационарного состояния в другое. Можно говорить о третьем допущении: постоянстве и одинаковости температур воздуха в помещениях, но оно кажется не столь критичным. Для специалистов по вентиляции XX, да и начала XXI века, эти допущения кажутся вполне приемлемыми, и их применение всегда приводило к правильным результатам. Увы, это не совсем так, и виднейшие специалисты это достаточно хорошо понимали (см., например, классическую работу В. М. Эльтермана [3]). Приведу простой пример «нарушения» закона сохранения массы в узле (напомню, что узлом в рассматриваемых работах считалось целое помещение). Пусть в помещении работает естественная система приточно-вытяжной вентиляции, при этом в помещении поддерживается давление воздуха Р1. Включили достаточно мощный вытяжной вентилятор, который начал отсасывать из помещения воздух, и через некоторое время давление снизилось до значения Р2 и перестало падать. Вот именно в переходном процессе, когда давление падало с Р1 до Р2, и «нарушается» закон сохранения в узле, т. к. по закону Клайперона – Менделеева с уменьшением давления при постоянных объеме и температуре падает масса, т. е. часть воздуха из помещения (узла) ушла. Именно последнее и не допускали предыдущие теоретические подходы. Второе допущение о том, что система при заданных граничных условиях может иметь только одно стационарное состояние, противоречит опыту работы систем вентиляции многоэтажных зданий: при одних и тех же граничных условиях (габариты здания, степень открытости окон и дверей, наружные температуры, ветер и т. д.) система может иметь не только одно, но и два устойчивых состояния с «нормальной» (т. е. не «опрокинутой») или опрокинутой циркуляцией. Об этом никто уже и не спорит, но теоретического объяснения этому факту предыдущие работы не дают (в работе А. Д. Кривошеина появляется опрокидывание циркуляции при определенных граничных условиях, но при этих же условиях у него невозможно наличие нормальной вентиляции). Мы используем два закавыченных термина («нормальная» и «опрокинутая» вентиляция), предполагая, что специалисты по вентиляции понимают, о чем тут речь.

Не секрет, что математическое моделирование использовалось как основной инструмент получения информации всеми указанными выше авторами. Математическое моделирование сводилось, сводится и будет сводиться к составлению и решению систем алгебраических уравнений. Наиболее простые процессы (стационарные) не используют для своего описания уравнения, в которые входит время (дифференциальные), но для более тонкого (динамического) описания они необходимы. Почему я назвал уравнения алгебраическими? Только потому, что решение систем уравнений проводится численными методами, в которых дифференциальные уравнения заменяются алгебраическими, т. е. мы не решаем задачу в квадратурах, когда необходимо получить функцию, а не число.

В последние несколько десятков лет, благодаря развитию ЭВМ, появились программы динамического математического (имитационного) моделирования. Самым, наверное, известным представителем таких программ является Simulink (член семейства Matlab). В практике вентиляции нашли применение (за пределами СНГ) такие программы, как BLAST (EnergyPlus) и в особенности TRNSYS. Автор настоящей статьи использует программу МОДЭН (версия 3.23) [4]. Все вышеперечисленные программы позволяют вводить дифференциальные уравнения в свои системы и решать их различными известными методами. В программе, используемой автором, для решения систем уравнений реализован метод Зейделя.

Целью статьи является не анализ и сравнение программ, а выполнение анализа динамической работы системы естественной вентиляции простой секции 9-этажного дома. Хотя основной задачей является рассмотрение системы естественной вентиляции, именно в таком режиме системы работают большее время в году, но мы понимаем, что в современных жилых домах присутствуют вытяжные вентиляторы как в квартирах, так и на дефлекторах; хотя они и включаются эпизодически, системы уже нельзя в полной мере назвать естественными.

Секция дома, которая рассматривается в статье, содержит не только систему вентиляции, но и систему отопления. Роль системы отопления в предыдущих моделях [5] не учитывалась, но, как показала практика, именно эта система часто влияет на решение жильца по вопросу проветривания квартиры. Система вентиляции состоит из двух систем – сборных вентиляционных шахт (ВЕ1 и ВЕ2), оканчивающихся дефлекторами и каналами-спутниками на каждом этаже (рис. 1). Система ВЕ1 имеет на каждом канале-спутнике вентилятор с местным отсосом (имитируем кухонную вытяжку), а ВЕ2 имеет только вытяжную решетку (имитируем ванну и туалет без вытяжного вентилятора). Система отопления состоит из одного П-образного проточного стояка (без замыкающих участков). На каждом этаже по два окна; хотя комнаты и разделены перегородкой с дверью, но аэродинамическое сопротивление стены мы не учитываем (двери полностью открыты). Межэтажные перекрытия полностью герметичны (с этим можно и поспорить, но такая у нас модель). Ветер всегда дует со стороны системы ВЕ1. Теплопотери в доме только через окна и стены. Индивидуальный тепловой пункт (ИТП) оснащен автоматикой и позволяет имитировать различные режимы подачи теплоты в систему отопления. Нормированный воздухообмен в одной такой квартире (на этаже) примем равным 60 м³/ч. Система уравнений, описывающая модель, содержит 4 515 уравнений.

Рисунок 1. Помещение 9 этажа

В статье достаточно трудно воспроизвести динамику работы системы. Для этого мы будем проводить с моделью здания вычислительные эксперименты (опыты), меняя определенные параметры. При моделировании мы используем два типа окон, которые назовем «старые» и «новые». «Старые» – окна в деревянных переплетах с высокой воздухопроницаемостью в закрытом состоянии, «новые» – современные стеклопакеты с низкой воздухопроницаемостью. «Новые» окна при необходимости можно открывать, тогда их воздухопроницаемость становится равной воздухопроницаемости «старых» закрытых окон. Последовательность проведения и параметры экспериментов (серия 1) приведены в табл. 1.

Таблица 1 (подробнее) Параметры экспериментов серии 1

Эксперимент 1 отражает состояние здания постройки 1950–70-х годов в эти же периоды эксплуатации. Воздухообмены в помещениях (рис. 2) значительные, хотя и сильно разнятся по этажам, но близки к проектным. Температура по этажам в пределах +21 – +26 ⁰C, т. е. несколько выше нормируемой. С наступлением «периода энергосбережения» теплоснабжающие организации, видя перетопы по квартирам, решили понизить график и перевести его со +105 – +70 ⁰C на +95 – +60 ⁰C.

Рисунок 2 (подробнее) Распределение воздухообменов (L) и температур внутреннего воздуха (Тв) по этажам при Тнар = –28 0C, w = 0 м/с; 1L (Т) – график теплоносителя +105 – +70 0C («старые» окна), 2L (Т) – график теплоносителя +95 – +60 0C («старые» окна), 3L (Т) – график теплоносителя +95 – +60 0C («новые» окна)

Эксперимент 2 отражает именно такой факт. Воздухообмены в квартирах практически не изменились, а вот температуры упали до +17 – +22 ⁰C. Привыкшие к теплу жители стали искать противоядие таким решениям. Они сами либо с помощью ЖЭС поменяли «старые» окна на «новые» – стеклопакеты.

Эксперимент 3 показал, что это привело не только к резкому росту температур в квартирах (при закрытых окнах), но и к снижению воздухообменов до очень низких значений на всех этажах, и особенно последних. Именно в таком состоянии с домом начинают происходить разные странные явления. Поскольку вытяжная вентиляция в домах недостаточная, жильцы устанавливают на кухнях механические вытяжки.

Эксперимент 4 показал (кривая 1 на рис. 3), что последовательное включение вытяжных вентиляторов в квартирах, начиная с квартир 1 этажа, не привело к изменению циркуляции в шахте ВЕ2, а дополнительное включение вентилятора при дефлекторе Д1 опрокинуло тягу в шахте! «Опрокинутая» циркуляция характеризуется в результате счета на модели отрицательными значениями расходов воздуха на участках сети, в отличие от «нормальной».

Рисунок 3. Опрокидывание вентиляции в шахте системы ВЕ2: 1 (3, 5) – последовательное включение вен- тиляторов, 2 (4, 6) – последовательное отключе- ние вентиляторов; 1 (2) – Тнар = –28 0C; 3 (4) – Тнар = –5 0C; 5 (6) – Тнар = +5 0C, w = 0 м/с

Эксперимент 5. Отключение вентиляторов в обратной последовательности (кривая 2 на рис. 3) не привело к восстановлению «нормальной» циркуляции. Нам потребовалось дополнительное включение вентилятора дефлектора Д2 (на системе ВЕ2), чтобы восстановить циркуляцию.

Эксперимент 6: те же условия, что и в эксперименте 4, но наружная температура –5 ⁰C (кривая 3 на рис. 3). Последовательное включение вытяжных вентиляторов в квартирах, начиная с квартир 1-го этажа, привело к изменению циркуляции в шахте ВЕ 2 уже при включении вентилятора на 8-м этаже.

Эксперимент 7. Отключение вентиляторов в обратной последовательности (кривая 4 на рис. 3) не привело к восстановлению «нормальной» циркуляции. Нам потребовалось дополнительное включение вентилятора дефлектора Д2 (на системе ВЕ2), чтобы восстановить циркуляцию.

Эксперимент 8: те же условия, что и в эксперименте 4, но наружная температура +5 ⁰C (кривая 5 на рис. 3). Последовательное включение вытяжных вентиляторов в квартирах, начиная с квартир 1 этажа, привело к изменению циркуляции в шахте ВЕ2 уже при включении вентилятора на 4 этаже.

Эксперимент 9. Отключение вентиляторов в обратной последовательности (кривая 6 на рис. 3) не привело к восстановлению «нормальной» циркуляции. Нам потребовалось дополнительное включение вентилятора дефлектора Д2 (на системе ВЕ2), чтобы восстановить циркуляцию.

Физическое объяснение. Наблюдаемое явление легко объяснимо: опрокидывание вентиляции связано с недостатком воздуха для работы системы ВЕ2. Созданное дефлектором Д1 и вентиляторами системы ВЕ1 разрежение преодолевает противодавление, создаваемое дефлектором Д2. После опрокидывания вентиляции дефлектор Д2 перестает создавать гравитационный напор, и восстановление циркуляции возможно только с применением дополнительного побудителя тяги в системе ВЕ2. Это наглядное подтверждение, что система естественной вентиляции при одинаковых граничных условиях может иметь два устойчивых состояния, т. е. в этом случае система, если пользоваться языком термодинамики, необратима.

Рассмотрим теперь ситуацию, связанную с опрокидыванием вентиляции в канале-спутнике системы ВЕ2 9 этажа, наблюдаемую при наличии разности отметок дефлекторов Д1 и Д2. Мы рассмотрим ситуацию при наружной температуре +5 ⁰C, скорости ветра 0 м/с, закрытых «новых» окнах и переменной разности отметок (Нd1 – Нd2) от 0 до 1 м (шаг 0,2 м). На рис. 4 видно, что при разности отметок от 0 до 0,6 м циркуляция в каналах «нормальная», причем расход в канале-спутнике ВЕ1 имеет тенденцию к росту, а в системе ВЕ2 – к падению. При разности отметок 0,8 м происходит опрокидывание вентиляции в канале-спутнике системы ВЕ2 и при этом наблюдается резкий рост расхода в канале-спутнике системы ВЕ1. Следует отметить, что такое поведение носит обратимый характер, т. е. если мы будем уменьшать разность отметок, то вернемся к «нормальной» вентиляции в канале-спутнике.

Рисунок 4. Зависимость воздухообмена (L) по системам в помещении 9 этажа от разности отметок дефлекторов (dН) при Тнар = +5 0C, w = 0 м/с и закрытых («новых») окнах

Физическое объяснение. Разность отметок дефлекторов приводит к разному гравитационному давлению, создаваемому ими. Дефлекторы создают необходимое разрежение для поступления воздуха в помещение (как на всасе вентилятора). Более высоко расположенный дефлектор Д1 создает такое разрежение в помещении 9 этажа, которое не может преодолеть дефлектор Д2. Это напоминает работу двух параллельно работающих вентиляторов, причем один имеет напор больше, чем другой, что приводит (при отсутствии обратных клапанов) к обратной циркуляции через низконапорный вентилятор.

Проведем два эксперимента (серия 2) при наружной температуре +5 ⁰C (табл. 2), нумерацию экспериментов для удобства продолжим. Задачей экспериментов является показ влияния скорости ветра и разности высот установки дефлекторов на воздухообмены в помещении 9 этажа при разных состояниях окон и вентилятора в помещении.

Таблица 2 (подробнее) Параметры экспериментов серии 2

Эксперимент 10. В начальном состоянии 1 (рис. 5, окна закрыты, вентилятор вытяжки не работает) по каналам-спутникам ВЕ1 и ВЕ2 осуществляется «нормальная» циркуляция, включение вентилятора на вытяжке в помещении (состояние 2) приводит к опрокидыванию вентиляции в канале-спутнике ВЕ2, открытие окна (состояние 3) приводит к восстановлению «нормальной» вентиляции в канале-спутнике ВЕ2, отключение вентилятора и закрытие окна возвращает систему в исходное состояние.

Эксперимент 11. В начальном состоянии 1 (рис. 5, окна закрыты, вентилятор вытяжки не работает) в канале-спутнике ВЕ1 осуществляется «нормальная», а в ВЕ2 «опрокинутая» циркуляция, включение вентилятора на вытяжке в помещении (состояние 2) не меняет картину, открытие окна (состояние 3) приводит к восстановлению «нормальной» циркуляции в канале-спутнике ВЕ2, отключение вентилятора и закрытие окна возвращает систему в исходное состояние. Таким образом, мы еще раз убеждаемся в обратимости процессов опрокидывания вентиляции только в канале-спутнике, а также в возможности восстановления «нормальной» вентиляции даже при неблагоприятных условиях (ветер и разная высота установки дефлекторов, работающих на одно помещение) при открывании окон (или иных воздушных клапанов).

Рисунок 5. Зависимость воздухообменов в помещении 9 этажа от состояния окон и вентиляторов. Состояния: 1) окна закрыты / вентилятор отключен; 2) окна закрыты / вентилятор включен; 3) окна открыты / вентилятор включен; 4) окна закрыты / вентилятор отключен

Как мы увидели, работа системы естественной вентиляции жилых домов сильно зависит от многих факторов (наружная температура, ветер, расположение дефлекторов, температурный график системы отопления, открывание окон, работа вентиляторов), а распределение температур в квартирах (рис. 2) сильно неравномерно по этажам (эта неравномерность может быть несколько сглажена самими жильцами).

На рис. 6 приведен пример системы, которая позволяет полностью избежать всех вышеперечисленных проблем.

Рисунок 6. Механическая приточно-вытяжная вентиляция с утилизацией теплоты вытяжного воздуха

Были проведены два эксперимента (12 и 13) (окна в помещениях закрыты). Термостаты позволили поддерживать в помещениях требуемую температуру, а воздухообмены значительно подравнялись по этажам (табл. 3) и приняли значения, близкие к планируемым (60 м³/ч).

Таблица 3 (подробнее) Воздухообмены по помещениям при применении приточно-вытяжной механической вентиляции

За пределами статьи остались (хотя построенная модель позволяет на них ответить), например, следующие интересные вопросы:

• Каково влияние утепления здания на температурный график работы системы отопления?
• Каково распределение температур в квартирах в течение отопительного периода?

Хочется надеяться, что методы имитационного моделирования отопительных и вентиляционных систем начнут широко внедряться в практику не только научных работников и студентов, но и проектных организаций.

Заключение

Неустойчивая работа систем естественной вентиляции характеризуется переменным воздухообменом, создаваемым системой, неравномерностью воздухообмена и температур внутреннего воздуха по этажам, опрокидыванием вентиляции в поэтажных каналах-спутниках и целиком в вентиляционных шахтах.

Опрокидывание вентиляции в шахтах носит необратимый характер и требует включения дополнительных источников тяги, будь то вентилятор или повышенный ветровой напор.

Опрокидывание вентиляции в канале-спутнике носит обратимый характер, «нормальная» вентиляция восстанавливается после снятия условий, которые привели к опрокидыванию, либо за счет открытия окон (приточных клапанов).

Внедрение дефлекторов с вентиляторами и регулируемых приточных устройств в квартирах позволит повысить надежность систем, однако кардинальным решением может считаться только внедрение приточно-вытяжной механической вентиляции с утилизацией теплоты вытяжного воздуха.

Литература

• Кривошеин А. Д. Прогнозирование работы систем естественной вентиляции жилых зданий с организованным притоком воздуха // Известия высших учебных заведений. Строительство. – 2011. – № 4.
• Малявина Е. Г., Бирюков С. В., Дианов С. Н. Воздушный режим высотного здания. Ч. 1. Воздушный режим при естественной вытяжной вентиляции // АВОК. – 2004. – № 8.
• Эльтерман В. М. Вентиляция химических производств. – М., Химия, 1980.
• www.energovent.com.
• Волов Г. Я. Анализ работы системы вентиляции многоэтажного здания // Энергия и Менеджмент. – 2011. – № 2.

В следующих публикациях будут рассмотрены варианты работы систем естественной вентиляции с регуляторами расхода воздуха