Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ состояния естественной вентиляции жилых зданий массовой застройки 9
1.1 Санитарно-гигиенические параметры воздуха в помещениях жилых зданий 9
1.2 Способы организации воздухообмена в жилых зданиях 16
1.3 Системы естественной вентиляции в жилых зданиях с теплыми чердаками 28
Выводы по главе 1 33
Глава 2 Анализ существующих методов расчета систем естественной вентиляции 34
2.1 Методы определения потерь давления в воздуховодах 34
2.1.1 Теория слияния потоков проф. П.Н.Каменева 34
2.1.2 Метод определения полных потерь давления 40
2.1.3 Метод статистических давлений 43
2.1.4 Анализ результатов расчета потерь давления в воздуховодах по существующим методикам 45
2.2 Определение располагаемого давления при аэродинамиче ском расчете систем естественной вентиляции 48
Выводы по главе 2 50
Глава 3 Литературные исследования интенсивности воздухообмена в жилых зданиях с теплыми чердаками 51
3.1 Характеристика объекта исследования 51
3.2 Методика проведения исследований 53
3.2.1 Измерение расходных характеристик 53
3.2.2 Оценка точности измерений. Планирование экспериментов 54
3.3 Результаты натурных исследований 61
Выводы по главе 3 70
Глава 4 Разработка методики расчета систем естественной вентиляции жилых зданий с теплыми чердаками 71
4.1 Сопоставление результатов аналитических и экспериментальных исследований 71
4.2 Разработка уточненной методики расчета систем естественной вентиляции жилых зданий с теплыми чердаками по разделенной схеме 79
4.2.1 Общие положения расчета по разделенной схеме. 79
4.2.2 Определение температуры воздуха на чердаке 81
4.2.3 Анализ результатов расчета по разделенной схеме 85
4.2.4 Влияние эффекта инфильтрации на работу систем естественной вентиляции 93
4.3 Разработка автоматизированной программы расчета систем естественной вентиляции жилых зданий с теплыми чердака ми по разделенной методике 96
Выводы по главе 4 101
Глава 5 Разработка мероприятий по повышению эффективности систем естественной вентиляции жилых зданий с теплым чердаком 102
5.1 Совершенствование конструктивных решений систем естественной вентиляции 102
5.2 Реконструкция вытяжной вентиляционной шахты 108
5.3 Экологический эффект от внедрения мероприятий по повышению эффективности работы систем естественной вентиляции 117
Выводы по главе 5 121
Основные выводы 122
Условные обозначения 124
Авторские публикации 125
Литература 127
Приложения 142
- Способы организации воздухообмена в жилых зданиях
- Анализ результатов расчета потерь давления в воздуховодах по существующим методикам
- Разработка автоматизированной программы расчета систем естественной вентиляции жилых зданий с теплыми чердака ми по разделенной методике
- Экологический эффект от внедрения мероприятий по повышению эффективности работы систем естественной вентиляции
Введение к работе
Согласно статистическим данным - человек проводит в помещении 80% своей жизни, причем около трети своего времени люди проводят в своих домах, квартирах. На качество воздуха в жилых помещениях и связанные с ним последствия для здоровья человека влияют метеорологические условия, наличие и качество систем вентиляции. Значительное влияние на качество воздуха оказывает тенденция к экономии энергии: снижение кратности воздухообмена в помещениях, более «плотное» выполнение зданий с целью уменьшения инфильтрации наружного воздуха.
Значительный вклад в изучение вопроса систем естественной вентиляции жилых зданий внесли М.М. Грудзинский, В.Е. Константинова, П.Н. Каменев, И.Ф. Ливчак, Е.Г. Малявина, М.Я. Поз, Э.В.Сазонов, В.П.Титов, и др.
В массовом жилищном строительстве таких городов как Самара, Тольятти и других широкое применение находят крупнопанельные дома серии 90. Они относительно дешевы, для их возведения уже имеется строительная база. Особенностью систем вентиляции зданий данной серии является то, что воздух из вертикальных сборных каналов выпускается непосредственно на чердак, который называется «теплым». Каждая секция жилого дома имеет одну общую вытяжную шахту, обслуживающую сборные каналы всех квартир.
Мониторинг эксплуатируемых жилых зданиях с теплым чердаком показал, снижение нормативных объемов удаляемого воздуха из квартир, а также опрокидывание циркуляции воздуха и перетекание его из нижних этажей в верхние. Чаще всего такие случаи отмечаются в зданиях имеющих секции различной этажности. Из-за притока холодного воздуха на чердак через вытяжную шахту, охлаждается перекрытие верхних этажей. В результате чего на потолках последних образуется конденсат. Влажность в помещениях может повышаться до 72%, а температура воздуха понижается. На стенах образуется плесень и грибок.
Национальный институт охраны труда и здоровья (NIOSH, Италия) по результатам обследования более 1 000 случаев неудовлетворительного качества
5 воздуха в помещениях жилых зданий составил следующий перечень основных источников загрязнения [18]:
50% - неэффективность вентиляционной системы (недостаток наружного воздуха, неэффективное его распределение, несоответствие показателей температуры и относительной влажности значениям, установленным для комфортного самочувствия, наличие загрязняющих источников непосредственно в системе);
30% - наличие в воздухе специфических загрязняющих веществ (формальдегида, паров растворителей, пыли и микробиологических составов);
10%о- внешние источники загрязнения (выхлопные газы автотранспорта, пыльца растений, грибок, дым, пыль дорожных и строительных работ);
в остальных 10% случаев явную причину выяснить не удалось.
Агентство охраны окружающей среды ЕРА классифицировало неудовлетворительное качество воздуха (IAQ) в качестве одного из пяти основных факторов риска для общественного здоровья [98].
Из сказанного следует, что для обеспечения нормативных параметров воздушной среды в помещениях необходимы эффективные системы отопления и вентиляции. В жилых зданиях с теплыми чердаками в настоящее время предлагается следующие меры по повышению работоспособности естественной вентиляции.
Возможно увеличение располагаемого напора в вентиляционных каналах верхнего этажа за счет использования эжекционных свойств потока сборного канала. При монтаже системы вентиляции из типовых блоков данный способ не применим, так как конструктивно невозможно подсоединить верхние боковые каналы к магистральному и для зданий высотой менее 16-ти этажей скорость воздуха в магистральном канале недостаточна для эжекции воздуха из бокового ответвления верхнего этажа.
Применение механической вытяжной вентиляции для жилых зданий позволит стабилизировать её работу, однако это решение приводит к ряду проблем: повышенные требования к герметичности вертикальных каналов,
ограждений квартир, чердака; блоки индустриального изготовления не приспособлены к использованию в системах механической вентиляции, сложность регулирования и эксплуатации.
Предлагается так же отказаться от устройства теплых чердаков и выводить все вентиляционные блоки напрямую через кровлю с установкой на каждой шахте дефлекторов. Данное решение ухудшает архитектурные качества здания, вносит коренные изменения в типовом панельном строительстве и лишает возможности прокладки трубопроводов отопления, водостока и водопровода в пределах чердака.
В российском жилищном строительстве в настоящее время наиболее приемлемой в экономическом и технологическом плане является естественная система вентиляции. Однако данный способ организации воздухообмена имеет как преимущества, так и недостатки. Вопрос о повышении эффективности таких систем до настоящего времени является нерешенным.
Цель работы заключается в научном обосновании, совершенствовании и апробации на практике методики расчета систем естественной вентиляции многоэтажных жилых зданий с теплыми чердаками, на основании которой предложить разработки по повышению эффективности работы систем естественной вытяжной вентиляции.
Для достижения поставленной цели необходимо решит следующие задачи:
провести сравнительный анализ существующих методов расчета систем естественной вентиляции жилых зданий;
провести натурные исследования по определению объемов удаляемого воздуха из помещений жилых зданий;
совершенствовать методику расчета систем естественной вентиляции жилых зданий с теплыми чердаками;
провести сравнительный анализ данных, полученных в ходе аэродинамического расчета по совершенствованной методике и полученных в ходе натурных измерений, для экспериментального подтверждения разработанной методики;
7 - разработать предложения по повышению эффективности работы системы естественной вентиляции в эксплуатируемых и вновь проектируемых жилых зданиях с теплым чердаком на основании уточненной методики расчета.
Научная новизна полученных результатов состоит в следующем: разработана методика аэродинамического расчета систем вытяжной естественной вентиляции жилых зданий с теплыми чердаками, отличающаяся от известных тем, что располагаемое давление представляется как сумма располагаемых давлений для систем «жилое помещение - чердак» и «чердак - атмосфера», которая позволяет получать в ходе расчета данные наиболее соответствующие фактическим замерам; получена зависимость для определения температуры воздуха в пределах чердака с учетом конструктивных особенностей и параметров тепловоз-душного баланса;
составлен алгоритм и автоматизированная программа расчета по разработанной методике;
обоснованы и разработаны технические решения по реконструкции вытяжной шахты с целью повышения запаса располагаемого давления: Кольцевое ребро, устанавливаемое на входе в шахту для снижения аэродинамического сопротивления; диффузор с малым углом раскрытия, позволяющий одновременно уменьшить сопротивление и увеличить располагаемое давление.
Практическое значение состоит в том, что разработаны уточненная методика расчета и предложения по повышению эффективности систем естественной вентиляции, внедрение которых возможно как на стадии проектирования и строительства, так и при реконструкции эксплуатируемых зданий. Разработаны конструктивные решения по устройству систем естественной вентиляции, позволяющие нормализовать воздухообмен в квартирах жилых зданий с теплыми чердаками. Получен патент №60575 «Вентиляционная шахта».
8 Апробация работы:
II Международная научно-практическая конференция - г. Пенза, 2004.
VI Международная научно-практическая конференция — г. Пенза, 2004.
Всероссийская научно-практическая конференция. Современные тенденции развития строительного комплекса Поволжья, г. Тольятти: ТГУ, 2005.
Международная научно-техническая конференция «Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции». Московский государственный строительный университет, г. Москва, 2005.
Семинар «Центр Промбезопасность», Н.Новгород, 2009.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы и приложений.
Диссертация изложена на- 156 страницах машинописного текста и содержит 68 рисунков, 11 таблиц, 5 приложений и список литературы из 152 наименований.
Работа выполнена по региональной программе энергосбережения раздел «Прогрессивные технологии и оборудование для систем теплогазоснабжения и вентиляции» в Тольяттинском государственном университете на кафедре «Теплогазоснабжение и вентиляция», научный руководитель кандидат технических наук, заведующий кафедрой «Теплогазоснабжение и вентиляция» М.Н. Кучеренко.
ГЛАБА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ЕСТЕСТВЕННОЙ ВЕНТИЛЯЦИИ
ЖИЛЫХ ЗДАНИЙ МАССОВОЙ ЗАСТРОЙКИ
1.1. Санитарно-гигиенические параметры воздуха в помещениях жилых
зданиях
Микроклимат помещения - это состояние внутренней среды помещения, оказывающее воздействие на самочувствие человека. Параметры микроклимата помещений жилых зданий включают следующие основные показатели:
температура воздуха tG, С;
радиационная температура помещения, tR, С;
относительная влажность воздуха сра, %;
подвижность воздуха ив, м/с;
газовый состав и запыленность;
- температура внутренних поверхностей наружных ограждений, гв, С.
Санитарно-гигиенические требования по гигиене микроклимата помеще
ний жилых зданий тепловому комфорту дают следующие определение:
тепловой комфорт - это метеорологические условия, обеспечивающие
оптимальный уровень физиологических функций, в том числе и терморегуля-
торных, при субъективном ощущении комфорта.
Согласно [22], для оценки теплового микроклимата помещений используется результирующая температура - комплексный показатель радиационной температуры помещения и температуры воздуха помещения, определяемый по формуле:
В 1884 году инженер И.И.Флавицкий пришел к выводу о необходимости учета комплексного влияния температуры воздуха te и относительной влажности
10 тепловое ощущение, как ненасыщенный воздух при рассматриваемой температуре. Продолжение работ в этом направлении вылилось в введение понятия «эквивалентно-эффективная температура». Это такая температура, которая эквивалентна тепловому воздействию температуры воздуха, его относительной влажности и подвижности [30, 96].
Эквивалентно-эффективная температура учитывает подвижность воздуха. В неподвижном, застойном воздухе развивается инертность реакции человека на термические раздражители. Увеличение скорости движения воздуха повышает конвективную теплоотдачу, а скорость, превышающая 0,2 м/с, воспринимается как дискомфортная, при которой человек испытывает ощущение сквозняка. Известная степень подвижности воздуха и надлежащий воздухообмен в помещении необходимы как для теплового комфорта, так и для устранения в нем микрофлоры, пыли и токсичных выделений. В 1м внутреннего воздуха помещений летом содержится вдвое, а зимой в 30 раз больше микроорганизмов, чем в наружном воздухе. Чем лучше жилые помещения снабжаются чистым воздухом, тем ниже в них концентрация микробов и вирусов [124,125].
Самочувствие и работоспособность человека зависят от работы физиологической системы терморегуляции организма.
Самочувствие и работоспособность человека зависит от работы физиологической системы терморегуляции организма, которая нормально функционирует при температуре около 36,6 С. Для поддержания постоянной температуры организм человека непрерывно вырабатывает тепло, которое отдается окружающей среде.
Общий тепловой (энергетический) баланс человека характеризуется следующим уравнением:
а, ± q: ± q: - q: - q: - q* ± aq„ = o, (1.2)
где Q4 - общее количество энергии, вырабатываемой человеком, Вт,
Qu >Qu >Q"- составляющие теплообмена человека конвекцией, излучением и за счет затрат тепла на испарение влаги, Вт, <2,f - расход тепла (энергии) на механическую работу, Вт, Qf - тепло, затрачиваемое на физиологические процессы, Вт, АОч - избыток или недостаток тепла в организме, Вт,
Если теплопродукция организма и потери тепла не сбалансированы, то в организме может наблюдаться накопление тепла или его дефицит. Интенсивность отдачи тепла человека зависит от тепловой обстановки в помещении, которая определяется температурой, подвижностью, относительной влажностью воздуха в помещении, температура ми поверхностей, обращенных в помещении, расположение (относительно человека) и размеры которых определяют радиационную температуру помещения tR.
Радиационная температура помещения, относительно первой поверхности определяется как осредненная (по признаку эквивалентности лучистому теплообмену с данной поверхностью) температура всех окружающих эту поверхность поверхностей в помещении. При этом используется понятие коэффициента облученности <р. Это коэффициент являющийся геометрической характеристикой и определяемый как отношение лучистого потока падающего с первой поверхности на другую поверхность, ко всему потоку, излучаемому первой поверхностью. Поэтому tR определяется как осредненная температура поверхностей по коэффициентам облученности:
< ^ (1'3)
Исходя из свойства замкнутости лучистых потоков сумма всех коэффициентов облученности может быть принята равной единице, тогда формула 1.3 принимает следующий вид:
'*,=I>W',- (1-4)
Радиационную температуру так же можно определить как средневзвешенную температуру по площадям окружающих поверхностей:
1^щ^' (L5)
Расчет по площадям проще, чем с использованием коэффициента облученности, но менее точен.
Согласно первому условию комфортности - комфортной будет такая общая температурная обстановка в помещении, при которой человек, находясь в середине в средине помещения, будет отдавать все явное тепло, не испытывая перегрева или переохлаждения.
Уравнение лучисто-конвективного теплообмена человека имеет вид:
QT = F-'-a., -{тч -tR) + F4K-aK-(r4-te), (1.6)
где F4\F* - теплоотдающие поверхности тела человека соответственно для лучистого и конвективного теплообмена, м~, а7,ак - средние по поверхности коэффициенты лучистого и конвектив-
ного теплообмена,
м2-С
тч - средняя температура поверхности одного человека, С.
Уравнение 1.6 можно записать в форме зависимости радиационной температуры tR от температуры воздуха внутри помещения tB: F1-а -т +FK-a -т -QJ'+K FK а
f. _ ч :i ч ч к ч >Сч ц ^к ± /і г-]\
LR ~~ Г-.Л г? л в ' Vі ')
г а г а
л ч ыл J ч ыл
Подставляя в уравнение 1.7 средние значения можно получить радиационную температуру, определяющую первое условие комфортности соответственно для холодного и теплого периодов.
/л=1,57-/„ -0,57-/, ±1,5, (1.8)
/д= 1,5-/,,-0,5-/.±1,5 (1.9)
где /„ - температура помещения, С.
Возможное отклонение от средних значений может составлять +1,5 С. Температуру помещения следует принимать по данным о благоприятной эксплуатации помещения, в соответствии с гигиеническими испытаниями.
13 Однако для летних условий недостаточно учитывать только радиационную температуру и температуру внутреннего воздуха. На комфортность внутренних условий так же влияет влажность и особенно подвижность воздуха.
'„=**'.+(!-**)'*» (1-Ю)
где К3 - коэффициент, учитывающий влияние влажности и подвижности
воздуха на температуру, определяемый опытным путем. Второе условие комфортности ограничивает интенсивность теплообмена при положении человека около нагретых или охлажденных поверхностей. Определяющей величиной в этом случае является интенсивность лучистого теплообмена.
чі =с-ґ/>Л-Лг,-0 + счі-^)А-вЛ^-0> (1.11)
где С — приведенный коэффициент излучения,
ф - коэффициент облученности со стороны элементарной площадки на
поверхности человека в сторону панели,
b - температурный коэффициент,
тч - температура поверхности головы человека. Подставив в уравнение 1.11 значения, принятые по экспериментальным данным [14], можно получить следующие уравнения для определения теплопередачи излучением соответственно для холодного и теплого периодов года:
:=5,3-^(30-0 + 58.(1-^), (1.12)
^=4,6-^-(30-0 + 50-(1-00. (1-13)
Подставив минимально допустимую теплоотдачу излучением в уравнения, можно определить максимально допустимую температуру нагретой поверхности:
0"<19,2 + J^-, (1Л4)
Допустимая температура на холодной поверхности:
rf>23 + —, (1.15)
Уравнения 1.14 и 1.15 являются составляющими второго условия комфортности.
Требования к воздуху рабочей зоны регламентируются ГОСТом [22]. ГОСТ устанавливает общие требования к оптимальным и допустимым показателям микроклимата и методы их контроля. При этом выделяются метеорологические параметры: оптимальные, которые обеспечивают комфортные условия; допустимые, которые допускают определенные перегрузки терморегуляционного аппарата человека.
Таблица 1.1- Оптимальные и допустимые нормируемые параметры воздуха в обслуживаемой зоне помещений жилых зданий и общежитий
Одним'из показателей санитарного состояния воздушной среды в жилых зданиях является концентрация СОг, которая не должна превышать 0,1% [27]. Для поддержания такого уровня концентрации углекислого. газа гигиенистами рекомендуется удельный воздухообмен 1уд=30 м /(ч-чел) [27, 122, 125]. При этих показателях воздушной среды и протекание физиологических процессов у человека не имеют значительного отклонения от гигиенических нормативов. СНиП 2.08.01-89* [112] нормирует воздухообмен 3 м3/ч на 1 м2 жилой
15 площади. Однако в работе [147] говорится, что при такой норме люди давали негативную оценку качеству внутреннего воздуха. Профессор Ю.Д.Губернский рекомендует принимать норму свежего воздуха на одного человека для жилых помещений до 60 м3/ч [116]. Нормируемое количество приточного воздуха за пределами России, согласно [134], рекомендуется в размере 15 фт3/мин (1уд=25,5 м /(ч-чел)), либо 0,35 объема помещения в час (п=0,35 ч" ).
Кухни, ванные и санитарные узлы являются основными источниками загрязнений воздушной среды в жилых помещениях. Повышенная температура, влажность, продукты сгорания при работе газовых плит - все эти компоненты отрицательно воздействуют на качество внутреннего воздуха жилых помещений. Повышенная влажность воздуха является также одной из причин образо-вания грибков и плесени на внутренних поверхностях наружных ограждающих конструкций помещений. В связи с этим воздухообмен в кухнях и санузлах нормируется отдельно. Согласно [112] нормируемый расход воздуха для кухонь составляет не менее 90 м /ч при четырехкомфорочных плитах, для санузлов он равен 50 м /ч. Стандарт ASHRAE [135] рекомендует воздухообмен из кухонь в размере 100 фт /мин (170 м /ч), из санузлов 50 фт /мин (85 м /ч).
Помимо С02 в жилых помещениях могут иметься и другие загрязнители: табачный дым, взвешенные частицы (пыль), асбест, формальдегид, озон и радон, органические вещества, микроорганизмы и химические примеси с неприятным запахом. В настоящее время отсутствуют нормы для большинства вредных веществ, которые могут образовываться в жилых помещениях. Стоит отметить, что в России также отсутствуют подразделения и служба, несущие ответственность за качество воздуха в жилых помещениях.
Критерием санитарного состояния воздуха служит содержание в нем углекислого газа. Считается, что другие вредности присутствуют в воздухе квартир в незначительных концентрациях. Таким образом нормативный воздухообмен, принятый по разбавлению углекислого газа, можно считать достаточным для поддержания расчетных параметров воздушной среды в жилых помещениях [27].
1.2. Способ организации воздухообмена в жилых помещениях
Система вентиляции представляет собой совокупность устройств для обработки, транспортировки, подачи и удаления воздуха. Различают системы вентиляции приточные, вытяжные, приточно-вытяжные, общеобменные, местные. Приточная вентиляция обеспечивает только подачу чистого воздуха в помещение, удаление воздуха из него происходит через неплотности в ограждающих конструкциях и открывающиеся- двери. Вытяжная вентиляция предназначена для удаления воздуха из вентилируемого помещения и создания в нём разрежения, за счёт которого в это помещение через неплотности в ограждающих конструкциях и двери поступает воздух снаружи и из соседних помещений. Приточно-вытяжная вентиляция обеспечивает одновременно подачу воздуха в помещение и организованное удаление его; при этом в зависимости от соотношения количества подаваемого и извлекаемого воздуха в помещении может быть избыточное давление или разрежение. В смежных помещениях избыточное давление и разрежение препятствуют проникновению загрязнённого воздуха из одного помещения в другое. Для эффективности этого приёма необходимо, чтобы избыточное давление или разрежение в вентилируемых помещениях создавалось устойчиво интенсивным воздухообменом.
По способу организации движения воздуха системы вентиляции могут быть с механическим побуждением и с естественным побуждением.
В приточных системах с механической вентиляцией производится обработка приточного воздуха.. Далее воздух распределяется по приточным воздуховодам в вентилируемые помещения. Централизованные приточные системы с механическим побуждением позволяет подавать расчетный расход воздуха в каждую квартиру, распределять воздух в пределах квартиры.
Однако многие зарубежные специалисты отрицательно относятся к применению в жилищном строительстве механической приточной вентиляции из-за дороговизны этого решения [103, 132, 138, 147]. Стоимость приточно-
17 вытяжной механической системы вентиляции в два раза выше вытяжной механической системы вентиляции.
Наиболее широко в зарубежных странах применяют механическую вытяж-ную вентиляцию с единым на секцию побудителем движения воздуха. В Германии распространена централизованная вытяжная система с возможностью кратковременного увеличения объема вытяжки из заданного помещения за счет автоматического регулирования частоты вращения вентилятора. Во Франции считается, что такая система достаточно дорогая,' и применяется централизованная механической вытяжной системы вентиляции без авторегулировки частоты вращения, но с устройством для регулирования постоянства расхода воздуха [103]. В странах Скандинавии обязательно применение механических приточно-вытяжных систем с утилизацией теплоты.
Механическое побуждение в вытяжной вентиляции дает возможность проектировать системы вентиляции с повышенным сопротивлением проходу воздуха, что в свою очередь позволяет снизить отрицательное влияние наличие переменного гравитационного давления, способствует уменьшению инфильтрации в наветренных помещениях. Экономия теплоты на нагрев инфильтрирующегося воздуха составляет 10... 15%, а в случае использования утилизации теплоты вытяжного воздуха снижается на 20...25% [70, 88, 89].
Опыт эксплуатации жилых домов, оборудованных вентиляцией с механическим побуждением, показал ряд недостатков таких систем: повышенная энергоемкость; наличие аэродинамического шума; необходимость постоянного качественного технического обслуживания. Кроме того, конструктивные особенности крупнопанельных зданий в России не приспособлены к использованию систем механической вытяжной вентиляции [103]. Поэтому такое решение вентиляции жилых зданий массовой застройки в настоящее время в нашей стране неприемлемо.
Установка индивидуальных вентиляторов в вытяжных отверстиях кухонь и санузлов приводит к относительному улучшению качества воздушной среды в квартире [31]. В тоже время установка вентдляторов самостоятельно жильцами
18 -ведет к разрегулировке всей вентиляционной системы. Установка индивидуальных вытяжных вентиляторов в ходе проектирования вызывает ряд трудностей, в частности при расчете системы вентиляции. Данное решение требует установки и наладки дополнительных систем автоматического регулирования.
Проведенный анализ возможных вариантов вентиляции жилых зданий позволяет сделать вывод, что наиболее приемлемой в массовом жилищном строительстве является естественная вентиляция. Основные преимущества таких систем по сравнению с механическими, являются простота, бесшумность, экономичность, отсутствие постоянных рабочих мест и отсутствие специально-го оборудования [5, 138].
Перемещение воздуха в системах естественной вентиляции происходит за счет наличия гравитационного и ветрового давлений. Возможные системы вентиляции жилых домов были изучены в Ленинградском санитарно-гигиеническом медицинском институте [67, 68]: с вытяжными каналами в каждой жилой комнате и в санитарно-кухонном узле; с вытяжными каналами только в санитарно-кухонном узле; с приточными устройствами в комнатах и вытяжными каналами в санитарно кухонном узле; с приточными устройствами и вытяжными каналами в комнатах и вытяжными каналами в санитарно-кухонном узле. Наиболее рациональной схемой воздухообмена признана с приточным устройством в комнатах и вытяжными каналами в санитарно-кухонном узле.
При естественной вентиляции жилых зданий приток наружного воздуха преимущественно осуществляется через неплотности наружных ограждений. Потребитель должен иметь возможность изменять воздухопроницаемость окон, следуя за изменением метеорологических условий и ориентируясь при этом на свои теплоощущения. Наиболее часто применяемые элементы стандартных окон (форточки, узкие створки) не обеспечивают нормируемого притока из-за сложности плавного регулирования их открывания. Указанные элементы могут использоваться для залпового проветривания, но не пригодны в качестве постоянно действующих приточных устройств.
Для осуществления организованного притока наружного воздуха рекомендуется применять регулируемые приточные устройства [111, 35]. Приточные устройства в качестве одного из возможных вариантов рекомендуется выполнять в виде горизонтальной, щели шириной 15 мм в верхней части оконной коробки с клапаном на нижнем подвесе (рисунок 1.1). Клапан оснащен запорно-регулирующим устройством с дистанционным управлением, обеспечивающим плавное регулирование его положения. Такие приточные устройства проверены в экспериментальном строительстве в и получили одобрение гигиенистов [39].
В подоконных приточных устройствах (рисунок 1.2), забор воздуха осуществляется через щель высотой 25 мм под отбойным металлическим щитком оконного проема. Воздух проходит над отопительным прибором по коробу. При выходе в помещение. наружный воздух смешивается с внутренним. Ширина щели регулируется клапаном при вращении регулировочного винта.
На рисунке 1.3 показано устройство' для' децентрализованного притока наружного воздуха в помещение с подогревом его отопительным прибором. Забор воздуха осуществляется также под металлическим козырьком окна. Далее воздух направляется вниз, смешивается с внутренним воздухом помещения, поднимается вверх, соприкасаясь с радиатором, нагревается и поступает в помещение. Недостатком устройства является узкий канал, по которому опускается воздух. Он может засоряться, а очистка его практически невозможна [69, 70, 71, 72, 89].
Удаление воздуха системами естественной вентиляции в типовых жилых домах, как правило, осуществляется через отверстия расположенные в кухнях и санитарных узлах. Основными конструктивными элементами таких систем являются воздуховоды, выполненные в виде вертикальных каналов и горизонтальных коробов.
1 I 2 I
Рисунок 1.1. Регулируемое приточное устройство
Рисунок 1.2. Подоконный прибор для притока воздуха в действии
Рисунок 1.3. Децентрализованный приток воздуха с подогревом его отопительными приборами
21 . В жилых зданиях высотой до пяти этажей системы вытяжной вентиляции состоят из вертикальных каналов (рисунок 1.4). Каналы могут быть как раздельными, так и объединенными в горизонтальный короб, расположенный на чердаке [13, 45, 48, 65, 128]. В зданиях с кирпичными внутренними перего-родками вентиляционные каналы устраивают в толще стен или в бороздах, закрываемых плитами. При отсутствии кирпичных стен устраивают приставные каналы. Приставные каналы в помещениях с нормальной влажностью воздуха выполняют из гипсовых, шлакоопилкогипсовых и шлакоалебастровых плит; с повышенной влажностью воздуха - из шлакобетонных или бетонных плит. В отдельных случаях каналы изготовлялись из стали или асбестоцементных плит. В крупнопанельных зданиях вентиляционные вертикальные каналы устраивают в стенах или перегородках в виде специальных вентиляционных панелей с каналами.круглого, прямоугольного или овального сечений.
В зданиях высотой более пяти этажей схемы вытяжной вентиляции выполняются с вертикальным сборным каналом или с горизонтальными сборными каналами, располагаемыми через каждые четыре - шесть этажей (рисунок 1.5). Такие схемы вентиляции многоэтажных зданий имеют ряд недостатков. Они обладают большим сопротивлением, множество вентиляционных шахт, выводимых на крышу, нарушает целостность кровли, что повышает вероятность протекания осадков в область чердака и ухудшает теплотехнические характеристики покрытия. В связи с этим разработаны системы вентиляционных каналов со спутниками (рисунок 1.6). Системы состоят из магистрального сборного канала большого сечения с параллельными каналами - спутниками малого сечения [67, 68, 108, 111].
Схемы таких каналов классифицируются:
- по числу этажей, через которые осуществляется перепуск - схемы с перепуском через 2, 3, 4 и 5 этажей. В настоящее время в основном применяются блоки с присоединением боковых ответвлений к магистральному каналу через один этаж [32].
- по характеру присоединения канала-спутника к магистральному каналу; схема с присоединением вертикальных каналов под прямым углом (рисунок 1.6, 1) и схема с косым присоединением наклонных каналов-спутников (рисунок 1.6, 2). Вторая схема является предпочтительней, так как обладает меньшим сопротивлением.
Вентиляционная сеть образуется из унифицированных по высоте здания поэтажных блоков. Повышение эксплуатационной надежности (предотвращение "опрокидывания" потока воздуха) системы естественной вытяжной вентиляции и одновременно сокращение материалоемкости и трудозатрат достигаются ч при использовании одной вертикали вытяжных каналов на квартиру путем использования объединенных вентблоков. Пример решения объединенного вентблока, совмещенного с санитарно-технической кабиной, представлен на рисунок 1.7 [111, 118].
Для упрощения эксплуатации и уменьшения звукопередачи между помещениями, связанными сборным каналом и спутниками, была разработана конструкция вентиляционного блока с приточными и вытяжными каналами. Система таких блоков представляет собой вертикальную шахту (рисунок 1.10), разделенную параллельными наклонными перегородками на автономные канала для вытяжки и притока воздуха. Суммарное количество каналов на каждом этаже равно числу этажей здания. При этом вытяжные каналы, начинаясь на каждом этаже, проходят до верха здания (число их постоянно увеличивается), а все приточные каналы, начинаясь в цокольном техническом этаже здания от воздухосборной камеры, доходят поочередно до каждого этажа [8, 67]. Применение данного вентиляционного блока ограничено этажностью здания (не более 9-ти этажей), нецелесообразно применение вентиляционного блока такого типа в зданиях, где приток неорганизован.
Типовым решением вытяжной вентиляции в многоэтажных крупнопанельных жилых-зданиях массового строительства с 70-х годов является удаление воздуха из каждой квартиры двумя вентиляционными блоками, обслуживающими кухню и санитарные помещения (рисунок 1.9).
о)
б)
Рисунок 1.4. Схемы вьпяжных систем вентиляции с вертикальными каналами для зданий до пяти этажей: а - с раздельными каналами; 6-е объединенными каналами на чердаке; 1 - жалюзийные решетки; 2 - кровля; 3 - зонт; 4 - сборная шахта.
Рисунок 1.5. Схема вытяжных систем вентиляции многоэтажных зданий: 1 -схема с вертикальными сборными каналами; 2 - схема с горизонтальными сборными каналами
Z\
Z\
z\
8_ 7
/ этаж
Рисунок 1.6. Схемы вытяжных каналов со спутниками для девятиэтажных жилых домов: 1 - спутники параллельны сборному каналу; 2 - спутники расположены наклонно к сборному каналу
^4
I.
{//"////У//?////*////////
R ^
-YZZZZ
Г7ТҐ//
^t
^,
Рисунок 1.7. Объединенный вентиляционный блок, совмещенный с сантехкабиной: 1 - "колпак" с вентблоком; 2 - днище сантех кабины; 3 -прокладка уплотнительная; 4 - проволочные ограничители; 5 - междуэтажное перекрытие
Рисунок 1.8. Вентиляционный блок с приточными и вытяжными каналами
1-і
(^DQDQ
Рисунок 1.9. Поэтажный вентиляционный блок
26 При размещении кухни и санузла в одной зоне квартиры используется сдвоенный вентиляционный блок, имеющий отдельные магистральные каналы для кухни и санузла.
Одним из способов повышения эффективности работы систем естественной вентиляции является тепловое побуждение, упоминание о котором впервые встречается в литературе прошлого века [65]. 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 теплотой кухонной плиты и теплым влажным воздухом при пользовании ванной или душем. 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 или продуктов сгорания по воздуховоду непосредственно в вытяжной стояк [32]. С.Б.Лукашевич предлагал вытяжной воздух из всех помещений транспортировать вниз к тепловому побудителю и от него сборным каналом удалять в атмосферу (рисунок 1.10). При этом он рекомендовал эту систему для обеспечения наибольшей тяги, т.к. высота канала с подогретым воздухом получается максимальной. Однако это решение не получило своего развития из-за перерасхода теплоты, также как и подогрев собираемого чердачными коробами вытяжного воздуха в камеру, и подогрев его перед выпуском в вытяжную шахту [70].
Достаточно просто реализовать тепловое побуждение в частном загородном доме, коттедже и в домах с индивидуальным тепловым пунктом. В коттедже круглогодично работает котел и,его контуры горячего водоснабже-ния, теплых полов и в некоторых случаях бассейна. Существует реальная возможность использования энергии продуктов сгорания для подогрева вытяжных каналов [32]. Однако в многоэтажных жилых домах тепловое побуждение естественной вентиляции нерентабельно.
27 1.3. Системы естественной вентиляции в жилых зданиях с теплыми
чердаками
В 70-е годы XX века в жилищном строительстве нашел широкое применение теплый чердак (рисунок 1.11) [7]. Впервые теплый чердак был применен при строительстве четырехэтажного хирургического корпуса военного госпиталя им. Н.Н.Бурденко в 1964 году. После эксплуатационной проверки в больничном здании теплый чердак был применен в жилых домах. Первый жилой четырнадцатиэтажный дом с теплым чердаком построен в г. Москве в 1968 году. В дальнейшем все полносборные жилые дома повышенной этажности, возводимые из изделий Московского каталога, строились с теплым чердаком: В ц. Москве начиная с 1975 года ежегодно сдавалось в эксплуатацию около 1,7 млн. м2 жилой площади в домах с теплыми чердаками.
На основании многочисленных исследований [40, 41, 86, 87, 99] были разработаны рекомендации по конструированию теплого чердака, систематизированные в работе [101].
Крыша с теплым чердаком (рисунок 1.12) состоит из покрытия, наружных стен и чердачного перекрытия к которым при конструировании должны предъявляться определенные требования по теплозащите и герметизации. Ограждающие несущие конструкции крыши с теплым чердаком должны соответствовать основным конструкциям здания по применяемым материалам, конструктивной схеме, технологии изготовления и монтажа. Для улучшения воздухообмена чердачное пространство выполняется в виде единого объема в пределах планировочной секции дома. Смежные секции теплого чердака разделяются сплошными стенками из несгораемых материалов, в которых может устраиваться герметичная дверь или люк. Сквозной проход вдоль теплого чердака предусматривается высотой не менее 1,6 метров, отдельные участки (под лотком, прогоном) - высотой не менее 1,2 метра. При необходимости допускается увеличивать высоту чердачного помещения в отдельных местах на 2,2 м. Выход на крышу непосредственно из помещения теплого
воздухоподогреватель
-A.
Рисунок 1.10. Схема вытяжной вентиляции при расположении теплого побудителя внизу
Рисунок 1.11. Многоэтажное здание с теплым чердаком: 1 - многоэтажное здание; 2 - чердак; 3 - плоская кровля; 4 - слой утеплителя; 5 - вытяжные каналы; 6 -вытяжная шахта; 7 - машинное отделение лифтов
// // vt'V/' // // // //"/у />/У/> /у /У уу //
'У // // // // //
^ /у -^
=^г
// // /7 SZ.
Рисунок 1.12. Конструкция крыши с теплым чердаком: 1 - панель покрытия; 2 -панель лотка; 3 - опорная рама чердака; 4 - панель чердачного перекрытия; 5 -оголовок вентиляционного блока; 6 - вытяжная шахта; 7 - машинное помещение лифта; 8 - водосточный сюяк; 9 - поддон для сбора атмосферных осадков
чердака не допускается. Все двери и люки теплого чердака при работе вентиляции плотно закрыты при помощи специальных запоров. Помещение теплого чердака используют для осмотра и ремонта крыши, размещения и технического обслуживания элементов инженерного оборудования. Наружные стены чердака делаются без сквозных отверстий. Чердачное перекрытие выполняется из типовых панелей междуэтажного перекрытия с утеплением.
Крыши с теплым чердаком рекомендуются для жилых домов, имеющих девять этажей и более. В пятиэтажных домах применять теплые чердаки допускается при соответствующем технико-экономическом обосновании [102].
По данным МНИИТЭП [68, 101] устройство теплых чердаков даёт возможность: снизить потери тепла через перекрытие верхнего этажа до 30%; использовать чердак как камеру статического разрежения и увеличить действующее гравитационное давление в системе вытяжной вентиляции; исключить необходимость вывода через кровлю большого количества локальных вытяжных стояков и существенно сократить периметр заделок кровельного ковра в местах примыкания его к вертикальным поверхностям; исключить необходимость утепления чердачного перекрытия, вследствие незначительной разности температур воздуха в помещении верхнего этажа и воздуха в теплом чердаке, и применять обычные междуэтажные перекрытия.
В зданиях с теплым чердаком применяются унифицированные вентиляционные блоки (рисунок 1.9) со сборными магистральными каналами на высоту (N-2) этажей здания, имеющего N этажей. Удаление воздуха из помещений на последних двух этажах здания осуществляется самостоятельными каналами рядом с магистральным в пределах вентиляционного блока. Для выпуска вытяжного воздуха в теплый чердак на вентиляционных блоках устанавливаются специальные оголовки в форме диффузора.. Диффузор служит для уменьшения потерь давления при выпуске воздуха из сборного канала на чердак.
Воздух из теплого чердака выпускается в атмосферу через вытяжную шахту, общую для одной секции дома. Вентиляционная шахта, примыкая к
31 выступающему над кровлей машинному помещению лифта, возвышается над кровлей примерно на 2,5 метра. Её расчетная высота по отношению к окнам помещений на верхнем этаже зданий доходит до 6 м., что не нарушает архитектуру здания. Вытяжная шахта устанавливается в средней части каждой секции чердака на приблизительно равном расстоянии от вентиляционных блоков. Размеры шахты определяются при расчете системы вытяжной вентиляции. Сборная вытяжная шахта не должна накрываться зонтом. Для защиты от атмосферных осадков под шахтой устраивается водосборный поддон.
Системы вентиляции с устройством зазора между вытяжной шахтой, установленной в утепленной кровле, и вытяжными каналами, т.е. с образованием теплого чердака были предложены с целью снижения потерь теплоты через покрытие и увеличения интенсивности естественной вентиляции. Но не смотря на преимущества зданий с теплыми чердаками, существовали мнения о недопустимости массового строительства систем вентиляции данного типа [57]. Это объясняется следующими причинами. Во-первых, становится опасным местное повышение или понижение температуры воздуха внутри чердачного пространства, поскольку градиент температуры воздуха может вызвать конвективные токи и разрегулировку всей системы, опрокидывание тяги внутри отдельных ветвей системы. Во-вторых, опасным представляется также действие ветрового давления, которое может вызвать перетекание воздуха с наветренной стороны здания на заветренную через систему. В связи с этим такие системы можно применять лишь при относительно небольшом объеме чердачного -пространства, большой высоте' сборной шахты или механическом побуждении в системе при условии малой воздухопроницаемости ограждений чердака [59].
Исходя из санитарных требований, на теплый чердак не выводятся вытяжные трубы канализации и каналы мусоропроводов, каналы из помещений с выделением вредных веществ, оборудованных вытяжной вентиляцией с механическим побуждением движения воздуха. Эти каналы выводятся самостоятельно в атмосферу..
Натурные наблюдения в эксплуатируемых зданий с теплыми чердаками показали снижение нормативных объемов вытяжки из квартир, опрокидывание воздушных потоков и перетекание воздуха из нижних этажей в верхние. Одним из способов увеличения располагаемого напора в вентиляционных каналах верхних этажей является использование эжекционного эффекта потока сборного канала. При монтаже системы вентиляции из типовых блоков данный способ не применим, т.к. конструктивно невозможно подсоединить верхние боковые каналы к магистральному. Для зданий высотой менее 16-ти этажей скорость воздуха в магистральном канале недостаточна для эжекции воздуха из бокового ответвления верхнего этажа.
Применение механической вентиляции для жилых зданий позволит стабилизировать её работу, однако это решение приводит к ряду проблем: повышенные требования к герметичности вертикальных каналов; ограждений квартир, чердака; блоки индустриального изготовления не приспособлены к использованию в системах механической вентиляции; сложность регулирования и эксплуатации.
Отказ от теплых чердаков и вывод всех вентблоков напрямую через кровлю с установкой дефлекторов на каждой шахте ухудшает архитектурные качества здания, вносит коренные изменения в типовом панельном строитель-стве и лишает возможности прокладки трубопроводов отопления, водостока, водопровода в пределах чердака.
Все сказанное выше позволяет сделать вывод о том, что в российском жилищном строительстве в настоящее время наиболее приемлемой в экономическом и технологическом плане является естественная система вентиляции с притоком наружного воздуха через неплотности ограждающих конструкций и удалением с помощью вентиляционных каналов из помещений кухни и санитарного узла.
33 Выводы по.главе 1
Основным способом обеспечения нормируемых параметров воздушной
среды в квартирах жилых домов является организованный воздухообмен -
вентиляция. От качества и работоспособности системы вентиляции зависит не
только комфортность проживания, но и сохранность и долговечность конст
рукций. - .,
Наиболее приемлемой в экономическом и технологическом плане для организации воздухообмена в многоэтажных жилых зданиях является естественная система вентиляции. Основным недостатком таких систем является следующие: квартиры, расположенные в верхней трети по высоте дома, нуждаются в улучшении воздушной среды и микроклимата, так как лестничные клетки и лифтовые шахты служат своеобразными каналами, по которым воздух мощным потоком устремляется вверх и попадает в верхние квартиры. В связи с этим все вредные выделения концентрируются в квартирах верхних этажей.
Для устранения недостатков систем естественной вентиляции и повышения ее работоспособности необходимо изучение теоретических методов расчета таких систем.
Способы организации воздухообмена в жилых зданиях
Система вентиляции представляет собой совокупность устройств для обработки, транспортировки, подачи и удаления воздуха. Различают системы вентиляции приточные, вытяжные, приточно-вытяжные, общеобменные, местные. Приточная вентиляция обеспечивает только подачу чистого воздуха в помещение, удаление воздуха из него происходит через неплотности в ограждающих конструкциях и открывающиеся- двери. Вытяжная вентиляция предназначена для удаления воздуха из вентилируемого помещения и создания в нём разрежения, за счёт которого в это помещение через неплотности в ограждающих конструкциях и двери поступает воздух снаружи и из соседних помещений. Приточно-вытяжная вентиляция обеспечивает одновременно подачу воздуха в помещение и организованное удаление его; при этом в зависимости от соотношения количества подаваемого и извлекаемого воздуха в помещении может быть избыточное давление или разрежение. В смежных помещениях избыточное давление и разрежение препятствуют проникновению загрязнённого воздуха из одного помещения в другое. Для эффективности этого приёма необходимо, чтобы избыточное давление или разрежение в вентилируемых помещениях создавалось устойчиво интенсивным воздухообменом.
По способу организации движения воздуха системы вентиляции могут быть с механическим побуждением и с естественным побуждением.
В приточных системах с механической вентиляцией производится обработка приточного воздуха.. Далее воздух распределяется по приточным воздуховодам в вентилируемые помещения. Централизованные приточные системы с механическим побуждением позволяет подавать расчетный расход воздуха в каждую квартиру, распределять воздух в пределах квартиры.
Однако многие зарубежные специалисты отрицательно относятся к применению в жилищном строительстве механической приточной вентиляции из-за дороговизны этого решения [103, 132, 138, 147]. Стоимость приточно вытяжной механической системы вентиляции в два раза выше вытяжной механической системы вентиляции.
Наиболее широко в зарубежных странах применяют механическую вытяж-ную вентиляцию с единым на секцию побудителем движения воздуха. В Германии распространена централизованная вытяжная система с возможностью кратковременного увеличения объема вытяжки из заданного помещения за счет автоматического регулирования частоты вращения вентилятора. Во Франции считается, что такая система достаточно дорогая, и применяется централизованная механической вытяжной системы вентиляции без авторегулировки частоты вращения, но с устройством для регулирования постоянства расхода воздуха [103]. В странах Скандинавии обязательно применение механических приточно-вытяжных систем с утилизацией теплоты.
Механическое побуждение в вытяжной вентиляции дает возможность проектировать системы вентиляции с повышенным сопротивлением проходу воздуха, что в свою очередь позволяет снизить отрицательное влияние наличие переменного гравитационного давления, способствует уменьшению инфильтрации в наветренных помещениях. Экономия теплоты на нагрев инфильтрирующегося воздуха составляет 10... 15%, а в случае использования утилизации теплоты вытяжного воздуха снижается на 20...25% [70, 88, 89].
Опыт эксплуатации жилых домов, оборудованных вентиляцией с механическим побуждением, показал ряд недостатков таких систем: повышенная энергоемкость; наличие аэродинамического шума; необходимость постоянного качественного технического обслуживания. Кроме того, конструктивные особенности крупнопанельных зданий в России не приспособлены к использованию систем механической вытяжной вентиляции [103]. Поэтому такое решение вентиляции жилых зданий массовой застройки в настоящее время в нашей стране неприемлемо.
Установка индивидуальных вентиляторов в вытяжных отверстиях кухонь и санузлов приводит к относительному улучшению качества воздушной среды в квартире [31]. В тоже время установка вентдляторов самостоятельно жильцами ведет к разрегулировке всей вентиляционной системы. Установка индивидуальных вытяжных вентиляторов в ходе проектирования вызывает ряд трудностей, в частности при расчете системы вентиляции. Данное решение требует установки и наладки дополнительных систем автоматического регулирования.
Проведенный анализ возможных вариантов вентиляции жилых зданий позволяет сделать вывод, что наиболее приемлемой в массовом жилищном строительстве является естественная вентиляция. Основные преимущества таких систем по сравнению с механическими, являются простота, бесшумность, экономичность, отсутствие постоянных рабочих мест и отсутствие специально-го оборудования [5, 138].
Перемещение воздуха в системах естественной вентиляции происходит за счет наличия гравитационного и ветрового давлений. Возможные системы вентиляции жилых домов были изучены в Ленинградском санитарно-гигиеническом медицинском институте [67, 68]: с вытяжными каналами в каждой жилой комнате и в санитарно-кухонном узле; с вытяжными каналами только в санитарно-кухонном узле; с приточными устройствами в комнатах и вытяжными каналами в санитарно кухонном узле; с приточными устройствами и вытяжными каналами в комнатах и вытяжными каналами в санитарно-кухонном узле. Наиболее рациональной схемой воздухообмена признана с приточным устройством в комнатах и вытяжными каналами в санитарно-кухонном узле.
При естественной вентиляции жилых зданий приток наружного воздуха преимущественно осуществляется через неплотности наружных ограждений. Потребитель должен иметь возможность изменять воздухопроницаемость окон, следуя за изменением метеорологических условий и ориентируясь при этом на свои теплоощущения. Наиболее часто применяемые элементы стандартных окон (форточки, узкие створки) не обеспечивают нормируемого притока из-за сложности плавного регулирования их открывания. Указанные элементы могут использоваться для залпового проветривания, но не пригодны в качестве постоянно действующих приточных устройств.
Анализ результатов расчета потерь давления в воздуховодах по существующим методикам
Задачей проверочных аэродинамических расчетов, проведенных нами по действующим методикам, является определение потерь давления в вытяжных каналах при заданной конструкции систем вентиляции и известных размерах сечений вентиляционных каналов.
Исходные данные, принятые для выполнения аэродинамического расчета, приведены в таблице 2.1.
Количество этажей, через которое осуществляется присоединение боковых каналов к сборному, в вентиляционных системах кухонь yi = 2.
Потери давления в системе естественной вентиляции жилого девятиэтажного дома, - смонтированной из типовых железобетонных вентиляционных блоков, снижаются по высоте здания. Такие результаты получены по обеим методикам. На последних двух этажах наблюдается совпадение значений полученных по методу статических давлений и методу определения полных потерь давления. По нашему мнению это связано с тем, что боковые ответвления данных этажей присоединяются непосредственно к диффузору, т.е. не имеют тройников. Основное расхождение в данных, полученных по вышеприведенным методам, заключается в различном подходе к определению потерь давления в тройниках и составляет (-1)...2 Па. При этом максимальная разница наблюдается на первом этаже.
В методе определения полных потерь давления учитывается КМС бокового ответвления тройника при равных расходах бокового ответвления и сборного канала. Данное значение КМС и дает значительное повышение потерь давления на первом этаже. Согласно теории П.Н.Каменева при нулевом расходе одного из боковых ответвлений сопротивление данного ответвление равно р2 = + оо [47]. Это соответствует фактическому сопротивлению вентиляционного блока, т.к. данное боковое отверстие герметично закрывается. Если принять, что статическое давление в сборном канале рз равно нулю, как получено в результате расчета по теории статического давления, статическое давление в первом боковом ответвлении будет определяться выражением:
Из выражения 2.19 видно, что статическое давление в боковом ответвлении первого канала должно составлять - оо, однако в реальных условиях достижение такого результата невозможно. В связи с этим нами предполагается, что определение потерь давления с помощью КМС по методике полных потерь давления является более точным и приближенным к реальным условиям эксплуатации тройников, образованных вентиляционными блоками.
Методика по определению статических потерь давления основана на допущении, что расходы по отдельным ответвлениям одинаковы, тогда как по определению полных потерь давления возможен расчет на любые расходы воздуха.
В данной работе для проведения дальнейших аэродинамических расчетов, использован метод определения полных потерь давления, как дающий наиболее точные результаты потерь давления в сложных тройниках.
Традиционный метод определения расчетных располагаемых давлений при проектировании систем вытяжной вентиляции с естественным побуждением основан на допущении равенства давлений в помещениях и давления наружного воздуха на одном уровне, что означает пренебрежение сопротивлением воздуха при поступлении его через окна [26]. Реально это может наблюдаться только в теплый период года, когда в помещениях всех этажей открыты форточки или окна. В зимнее время это допущение уже не соответствует действительному положению. В 50-х годах прошлого века были разработаны методы определения располагаемых напоров в системах вентиляции с учетом фактических давлений в помещениях, определяемых на основе расчета воздухообмена в зданиях как единой аэродинамической системы. Первый из методов предназначен для расчета систем приточно-вытяжной вентиляции, а второй - для систем вытяжной вентиляции с естественным побуждением. Оба метода основаны на крайнем допущении, состоящем в том, что окна на всех этажах полностью закрыты и имеют одинаковую воздухопроницаемость.
Регулирование воздухообмена в жилых помещениях осуществляется путем открывания форточек, начиная с температуры наружного воздуха tH = 5С. Располагаемое давление определяется зависимостью
Разработка автоматизированной программы расчета систем естественной вентиляции жилых зданий с теплыми чердака ми по разделенной методике
При аэродинамическом расчете систем естественной вентиляции необходимо точное определение значений потерь давления в системе, особенно значений потерь давления в местных сопротивлениях на проход воздуха в тройниках. Расчеты по формулам 2.11, 2.12 дают наиболее точные значения коэффициентов местных сопротивлений, однако при проведении данных . расчетов вручную резко возрастает величина погрешности. Погрешность в расчете потерь давления в тройниках накапливается по мере увеличения этажности здания и может достигать 1 Па. Такое значение погрешности недопустимо в аэродинамических расчетах естественных систем вентиляции, т.к. ведет к аэродинамической разрегулировке систем.
В связи с этим для проведения более точного расчета была разработана автоматизированная программа CalsSysVentil.
Данная программа предназначена для проведения аэродинамических расчетов систем естественной вентиляции жилых зданий с теплым чердаком по методике, учитывающей влияние на располагаемое давление температуры воздуха теплого чердака. Программа позволяет проводить расчеты для зданий различной этажности, любыми планировкой, количеством и конструкцией вентиляционных каналов. Программа может использоваться на базе компьютеров под управлением Windows. 9х, 2k, ХР, оборудованных центральным процессором уровня не ниже РП и установленным пакетом программ MS Office с приложением Exsel. Программа CalsSysVentil составлена по алгоритму, представленному на блок-схеме с помощью Borland Delphi.
Блок-схема программы приведена на рисунке 4.25. В программе реализована возможность ввода данных в зависимости от конструкции здания. Первоначально на экран выводится запрос ввода значений неизменяемых для одной секции здания, таких как: размеры и сопротивление вентиляционной шахты; температуры наружного воздуха; температуры воздуха в пределах теплого чердака; этажность здания; количество вентиляционных стояков.
Второй запрос требует ввода данных по отдельным системам (стоякам). При этом вводятся данные: по конструкции вентиляционного блока; характеристики материала, из которого изготовляются стояки; температуры воздуха в обслуживаемых помещениях (кухнях и санитарных узлах) .В дальнейшем программа запрашивает введение объемов воздуха удаляемого из помещения отдельной системой, причем запрос происходит отдельно по каждому этажу.
Данный процесс ввода исходных данных позволяет проводить аэродина мический расчет, как на нормируемый воздухообмен, так и на различный ожидаемый воздухообмен в зависимости от этажа. здания, конструкции вентиляционного блока и температуры воздуха.
Вывод полученных в результате расчета данных осуществляется с помощью программы Excel. При этом в данной программе организуется файл с выводом четырех таблиц. Каждая таблица показывает следующие значения: объемы удаляемого воздуха, м3/ч, вводный параметр; потери давления в системе, Па, рассчитываемый параметр; располагаемое давление, Па, рассчитываемый параметр; запас располагаемого давления, %, рассчитываемый параметр.
Таблицы выводных данных сформированы следующим образом: по горизонтали располагаются значения по этажам, по вертикали - по количеству вентиляционных систем (стояков), расположенных в пределах одной секции.
Вывод данных с помощью файла в программе Excel дает возможность построения графических зависимостей непосредственно в этом файле. Так же обеспечивается сохранение полученных значений и вывод их на печать.
Использование программы CalsSysVentil позволяет проводить аэродинамический расчет для решения следующих задач: определение запаса располагаемого давления в существующих системах при нормируемом воздухообмене; определение воздухообмена, исходя из нормируемого запаса располагаемого давления 5... 10 %; разработка конструкции вентиляционного блока, а именно проходных сечений каналов и количества этажей, через которое происходит присоединение бокового канала к основному; разработка конструкции вентиляционной шахты.
Программа CalsSysVentil позволяет решать инженерные задачи по проектированию систем естественной вентиляции в жилых зданиях с теплым чердаком более точно и с меньшими временными затратами.
Экологический эффект от внедрения мероприятий по повышению эффективности работы систем естественной вентиляции
В настоящее время при возведении зданий с теплыми чердаками в основном применяются системы естественной вентиляции. В зданиях данного типа наблюдается "значительное снижение воздухообмена по сравнению с нормами. Заниженные объемы удаляемого из квартир воздуха вызывают понижение качества воздушной среды, что приводит к увеличению процента заболеваемости жильцов и разрушению строительных конструкций. Следовательно, в зданиях с теплым чердаком необходимо проводить реконструкцию систем естественной вентиляции, либо устанавливать на шахтах вентиляторы.
Внедрение мероприятий по повышению эффективности систем естественной вентиляции, изложенных в разделах 5.1, 5.2 позволяет обеспечить нормируемый воздухообмен в помещениях квартир без применения механической вентиляции.
Экономический эффект в таком случае будет определяться расходами электроэнергии на привод вентилятора, расходами на амортизацию и обслуживание. Амортизация и обслуживание составляют 75% от затрат на электроэнергию. Удельные годовые затраты на привод вентилятора определяются по формуле: где 77— стоимость электроэнергии, руб./(кВт-ч), Ne — мощность электродвигателя вентилятора, кВт.
Следовательно общий экономический эффект составляет: Мощность вентиляторов ориентировочно можно определить по формуле: где пв— удельная мощность вентилятора, кВт-ч/м , Q — расход воздуха перемещаемый вентилятором, м3.
Объемы перемещаемого вентилятором воздуха можно определить исходя из норм воздухообмена. Согласно рекомендациям [111] количество удаляемого воздуха должно приниматься из санитарных узлов - 50 м /ч, из кухонь - 60 м /ч, но не менее 3 м /ч на 1 м жилой площади. Согласно проведенному статистическому анализу усредненное значение нормативного воздухообмена в квартирах жилых зданий составляет 3,8 м на 1 м жилой площади.
По данным самарского филиала ФГУП «Ростехинвентаризация» на 1 января 2008 года жилищный фонд Самары составил 24031,8 тыс. м2. Многоэтажные жилые здания с теплым чердаком составляют 47 %. Стоимость электроэнергии для коммунальных хозяйств в 2008 году составляла П = 2,1руб./(кВт-ч).
При установке на все здания данного типа в г.о. Самара вентиляторов потребление электроэнергии увеличится на: С 1880 года до нашего времени содержание парниковых газов в атмосфере выросло более чем на 20 %, одновременно увеличилась температура планеты на 1-3,5 С. Около 5 % энергии, расходуемой в промышленно развитых странах, идет на вентиляцию и кондиционирование воздуха, давая при этом большие объемы ССЬ и других загрязняющих веществ. Киотский протокол ратифицирован Россией 22 октября 2004 г. и вступил в силу 16 февраля 2005 г. Строительство энергетически эффективных объектов означает не только снижение вредных выбросов в атмосферу, по и ощутимую экономию средств.
Сокращения вредных выбросов можно достичь путем перехода к широкому использованию естественных или возобновляемых источников энергии, таких как солнечная радиация и другие природные источники, а так же внедрением энергоэффективных систем, в частности естественных систем вентиляции. Однако применяемые в многоэтажных жилых зданиях в настоящее время системы естественной вентиляции не решают проблему качества воздушной среды помещений.
Экологический эффект выражается в снижении выбросов С02 в связи с экономией электроэнергии и определяется по формуле: гДе Sco удельные выбросы С02 при сжигании топлива для получения 1 кВт электрической энергии, кг/(кВт-ч). При сжигании газа gco составляет Известно, что 1 га леса поглощает за год от 3000 до 5000 кг углекислого газа. Стоимость 1 м" леса равна 10 руб. [16]. Для полного поглощения выбрасываемого газа С02 необходимо посадка леса площадью 5452 га. Общая стоимость такой посадки будет составлять:
Улучшение качества воздушной среды в квартирах жилых зданий с теплыми чердаками имеет значительный социально-экономический эффект, в связи с чем необходима реконструкция систем вентиляции. По нашим данным затраты на предлагаемую реконструкцию одной шахты требуется 5,8 тыс. руб., тогда как на установку вентилятора потребуется 23,4 тыс. руб. Приведенные выше расчеты наглядно демонстрируют целесообразность применения в жилищном строительстве именно естественных систем вентиляции.
