Воздушный режим высотного жилого здания в течение года
Опубликовано: 06.09.2018
Summary:
Воздушный режим высотного жилого здания в течение года
Описание:Воздушный режим современных зданий, определяющий процесс обмена воздухом помещений друг с другом и с наружным воздухом, формируется под воздействием многих факторов. Расчету воздушного режима общественных зданий посвящены работы многих исследователей
Часть 1. Воздушный режим при естественной вытяжной вентиляции*
Е. Г. Малявина , профессор, канд. техн. наук;
С. В. Бирюков , канд. техн. наук;
С. Н. Дианов , инженер, Московский государственный строительный университет (МГСУ)
Воздушный режим современных зданий, определяющий процесс обмена воздухом помещений друг с другом и с наружным воздухом, формируется под воздействием многих факторов. Расчету воздушного режима общественных зданий посвящены работы многих исследователей: В. Н. Богословского, М. М. Грудзинского, Е. Х. Китайцевой, В. А. Константиновой, М. А. Латышенкова, И. Ф. Ливчака, Н. Н. Разумова, И. А. Романовской, К. С. Светлова, Т. С. Сумбатьянц, Ю. А. Табунщикова, В. П. Титова, С. С. Требукова и других.
Методика расчета воздушного режима здания
Расчетная методика учитывает требования нормативных документов [1, 2, 3, 4]. За ее основу принята ставшая традиционной постановка задачи [5, 6, 7, 8]. Для реализации методики используются возможности новой вычислительной техники в отличие от разрабатываемых ранее математических моделей, создававшихся для ЭВМ с меньшей вычислительной производительностью по сравнению с существующими. Разработанная программа [9] предназначена для расчета воздушного режима зданий – как с механической вентиляцией, так и с естественной. Постановка задачи учитывает влияние ветрового и гравитационного давлений, сопротивления воздухопроницанию наружных элементов здания (окон, входных дверей), внутренних связей между помещениями.
При наличии в здании естественной или механической вентиляции с магистральным каналом и поэтажными ответвлениями вентиляции в соответствующих модулях делаются пометки о наличии вытяжных отверстий и принадлежности этих отверстий системам вентиляции. После этого необходимо задать характеристики элементов сетей систем (топологию, форму воздуховодов, размеры, материал, коэффициенты местных сопротивлений (КМС) элементов).
Решение задачи воздушного режима здания сводится к решению системы уравнений воздушных балансов, где сумма расходов воздуха рассчитывается по всем воздухопроницаемым его элементам. Число уравнений равно числу помещений в здании. Расходы воздуха через каждый воздухопроницаемый элемент определяются по разности давлений перед и за элементом (с учетом направления движения) и его характеристики сопротивления. Неизвестными в этой системе уравнений являются расходы через все воздухопроницаемые элементы здания и давления в каждом помещении. Решение системы уравнений дает искомое распределение потоков по зданию в целом. Отличительной чертой тракта системы вентиляции является переменность характеристик сопротивления фасонных частей, зависящих от искомых расходов воздуха по отдельным частям системы. Сложность состоит в том, что значения КМС тройников (крестовин) сильно зависят от изменения определяющих факторов. Поэтому характеристики сопротивления элементов вентиляционного тракта S приходится определять в итерационном расчете, увязывающем располагаемые давления в сети с изменяющимся аэродинамическим сопротивлением тракта при незначительном изменении расхода воздуха.
Спецификой расчета воздушного режима высотных зданий является необходимость учета повышения скорости ветра по высоте. В работе принималась рекомендация СНиП 2.01.07-85* [2], которая обобщена на рис. 1.
 |
|
Рисунок 1. Изменение скорости ветра по высоте здания при скорости ветра на высоте 10 м от уровня земли 4,9 и 3,8 м/с |
Исходные данные
Жилое здание, принятое для исследования, представляет собой многоэтажное здание (размер в плане первого этажа 35x37 м, в верхней части – 31x37 м) с подземной автостоянкой.
На первых четырех этажах размещены спортивные, административные и хозяйственные помещения. Квартиры жильцов располагаются с 3-го этажа.
Здание имеет два панорамных лифта и четыре внутренних лифта. Внутренний лифтовый холл отгорожен двухстворчатыми дверями. На этаже расположены две четырехкомнатные, две трехкомнатные и две двухкомнатные квартиры.
Ниже приведены некоторые схемы планов здания.
При заданной планировке расчеты выполнялись для зданий высотой 120, 170 и 220 м. Иллюстрации результатов расчета относятся к двухкомнатной квартире (на схеме плана обозначенной № 2).
Рассматривались системы приточно-вытяжной вентиляции, причем, вытяжные – только с магистральным каналом и поэтажными ответвлениями-«спутниками». Все вытяжные системы разделены по высоте здания, так что каждая обслуживает 15 этажей (в пределах 50-метрового пожарного отсека по высоте здания), после чего вытяжной воздух выбрасывается через кровлю здания.
Каждая квартира оборудована тремя вытяжными вентиляционными решетками (одна в кухне и две в санузлах, принадлежащих трем различным системам вентиляции). Расчетный воздухообмен в каждой квартире равен 180 кг/ч = 150 м3/ч.
Приток осуществлялся либо механическими поэтажными системами, либо через приточные клапаны, характеристика расхода которых показана на рис. 4.
 |
|
Рисунок 4. Зависимость расхода воздуха через приточный клапан от разности давлений по разные стороны от него |
Исследуемые режимы работы систем вентиляции
Возможности системы вентиляции проверялись в расчетном вентиляционном режиме: при 5 °С в наружном воздухе и безветрии. Рассматривались варианты только с закрытыми окнами.
Определялся воздушный режим здания в средне-сезонных условиях отопительного периода, обычно выбираемых для расчета энергопотребления. Температура и скорость ветра при этом принимаются средними за отопительный сезон (температура наружного воздуха tн = –3,1 °С, скорость ветра v = 3,8 м/с на высоте 10 м от земли).
С целью определения необходимой плотности окон и квартирных дверей исследовался воздушный режим здания в расчетном зимнем режиме. Кроме того, проверялась работа систем вентиляции в этом режиме и выявлялись формирующиеся разности давлений на окнах и дверях. Расчетный зимний режим характеризовался температурой наружного воздуха –28 °С и ветром 4,9 м/с на высоте 10 м от земли.
Воздушный режим теплого периода года проверялся при расчетной температуре наружного воздуха tн = 28,5 °С и отсутствии ветра. Температура внутреннего воздуха принималась равной tв = 24 °С.
Расчеты выполнялись для следующих систем вентиляции:
- естественная вытяжная вентиляция с притоком через клапаны;
- естественная вытяжная вентиляция и механический приток поэтажными установками с подачей санитарной нормы воздуха (180 кг/ч на квартиру);
- механическая вытяжная вентиляция с общими вентиляторами на стволах и механический приток поэтажными установками с подачей санитарной нормы воздуха (180 кг/ч на квартиру);
- механическая вытяжная вентиляция с общими вентиляторами на стволах и притоком через приточные клапаны, установленные в каждой комнате квартиры.
| Баланс воздуха по квартире | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Системы естественной вытяжки и притока через клапаны
Для выявления возможностей естественных систем вентиляции были выполнены расчеты воздушного режима здания высотой 120 м в расчетном вентиляционном режиме (5 °С).
Сопротивление воздухопроницанию окна считалось равным Rи = 1 м2•ч/кг (при разности давлений ∆Р = 10 Па). Сопротивление воздухопроницанию дверей варьировалось.
В таблице приведены расходы приточного и вытяжного воздуха в квартире наветренного фасада на различных этажах здания. На рис. 5 показаны распределения по этажам расходов воздуха и перепадов давлений на воздухопроницаемых элементах квартиры.
 |
Рисунок 5. ( подробнее ) Естественная вытяжная вентиляция с притоком через клапаны. Для окон Rи = 1 м2•ч/кг, для квартирных дверей Rи = 0,1 (при разности давлений ∆Р = 10 Па): а) расходы воздуха через вентиляционные решетки (сумма по квартире), кг/ч; б) расходы воздуха через квартирные двери, кг/ч; в) расходы воздуха через окна и приточные клапаны (сумма по квартире), кг/ч; г) перепад давлений на вытяжных решетках, Па; д) перепад давлений на квартирных дверях, Па; е) перепад давлений на окнах и приточных клапанах, Па |
Из табл. 1 видно, что в расчетном вентиляционном режиме системы естественной вытяжки с притоком через клапаны не обеспечивают расчетных расходов на нижних этажах на 15 %, на верхних — на 50 %, даже при сопротивлении воздухопроницанию окна Rи = 1,0 м2.ч/кг и сопротивлении воздухопроницанию квартирных дверей Rи = 0,1 м2•ч/кг (при разности давлений ∆Р = 10 Па) при открытых дверях лифтовых холлов. Увеличение сопротивления воздухопроницаемости входных в квартиру дверей приводит к необеспеченности вентиляционных расходов, равной 25 % на нижних этажах и 62 % на верхних.
Очевидно, что удвоение числа клапанов при увеличенном сопротивлении воздухопроницанию окон и входных дверей в квартиру не приведет к нужному результату.
Так как в расчетном вентиляционном режиме системы естественного притока и вытяжки не обеспечивают нужных расходов, в других погодных режимах они не рассматривались.
 |
Рисунок 6. ( подробнее ) Естественная вытяжная вентиляция и механический приток поэтажными установками с подачей санитарной нормы воздуха (180 кг/ч на квартиру). Для окон Rи = 2 м2•ч/кг, для квартирных дверей Rи = 1,5 (при разности давлений ∆Р = 10 Па): а) расходы воздуха через вентиляционные решетки (сумма по квартире), кг/ч; б) расходы воздуха через квартирные двери, кг/ч; в) расходы воздуха через окна (сумма по квартире), кг/ч; г) перепад давлений на решетках, Па; д) перепад давлений на квартирных дверях, Па; е) перепад давлений на окнах, Па |
Системы естественной вытяжки и механического притока
Системы естественной вытяжной вентиляции и механического притока поэтажными установками в расчетном вентиляционном режиме (5 °С) перекрывают необходимую норму расхода воздуха на нижних этажах на 10–15 %, на верхних – на 6–9 %.
Вывод тем более ценен, что относится к случаю плотных окон и входных дверей (сопротивление воздухопроницанию окна Rи = 2,0 м2•ч/кг, сопротивление воздухопроницанию квартирных дверей Rи = 1,5 м2•ч/кг при разности давлений ∆Р = 10 Па).
Интересно отметить, что при температуре наружного воздуха 5 °С движение воздуха через окна и двери направлено в квартиру. Однако это последнее замечание с уверенностью можно подтвердить только для систем механического притока с поэтажными установками. В случае притока от общего магистрального ствола действие естественного давления при различных компоновках системы может повлиять как на увеличение, так и на уменьшение расхода приточного воздуха, что усилит или опрокинет инфильтрацию.
В эксплуатационном зимнем режиме (–3,1 °С) увеличение плотности окон от Rи = 1,5 м2•ч/кг до Rи = 2,0 м2•ч/кг при разности давлений ∆Р = 10 Па приводит к уменьшению расхода инфильтрационного воздуха через окна почти вдвое. При этом снижается расход удаляемого воздуха примерно на 10 %.
Увеличение сопротивления воздухопроницанию входных дверей в квартиру от Rи = 0,7 м2•ч/кг до Rи = 1,5 м2•ч/кг (при разности давлений ∆Р = 10 Па) уменьшает расход инфильтрационного воздуха через двери также почти вдвое — до 3,5–4,5 кг/ч.
Вентиляционные расходы воздуха в зданиях высотой 120, 170, 220 м равномерно распределяются по высоте, незначительно уменьшаясь от нижних этажей к верхним в диапазоне 250–210 кг/ч на квартиру (при расчетной величине 180 кг/ч).
В расчетном зимнем режиме (–28 °С) варьировались сопротивления воздухопроницанию окон и квартирных дверей. Выяснено, что изменение плотности окон от Rи = 1 м2•ч/кг до Rи = 2,0 м2•ч/кг (при разности давлений ∆Р = 10 Па) приводит к уменьшению расхода инфильтрационного воздуха через окна почти вдвое за счет снижения расхода удаляемого воздуха. При этом воздухопроницаемость окон на первых этажах уменьшается с 11–15 кг/ч•м2 до 6–7 кг/ч•м2.
Воздухопроницаемость квартирных дверей при увеличении сопротивления воздухопроницаемости от Rи = 0,7 м2•ч/кг до Rи = 1,5 м2•ч/кг (при разности давлений ∆Р = 10 Па) ведет к уменьшению расхода инфильтрационного воздуха через двери вдвое, что на первых этажах составляет от 6,2 до 3 кг/ч•м2 для здания 120 м, от 7,5 до 3,6 кг/ч•м2 для здания 170 м и от 8,8 до 4,1 кг/ч•м2 для здания 220 м.
Распределение расходов вытяжного воздуха по высоте здания при такой системе вентиляции равномерное даже в здании 220 м. При увеличении плотности окон и дверей воздухообмен незначительно сокращается и лежит в пределах 235–280 кг/ч для зданий 120 и 170 м и 237–310 кг/ч для зданий 220 м. Избыточный воздухообмен составляет 30–72 %, что подтверждает необходимость ограничителей расхода воздуха на вытяжных решетках.
В жилых зданиях с вентиляционными вытяжными шахтами, обслуживающими помещения в пределах высоты пожарного отсека (около 50 м), вентиляционные решетки размещены внутри квартир. Таким образом, вентиляционная шахта связана с функциональными помещениями. В этом случае плотность окон должна быть несколько выше, чем дает приближенная формула СП 23-101-2000 [4]. В высотных зданиях должно быть учтено то, что вытяжка осуществляется непосредственно из помещений, примыкающих к окнам.
Расчет по нормативным формулам из [4] дает следующие сопротивления воздухопроницанию окон при разности давлений ∆Р = 10 Па:
- для здания 120 м Rи = 1,296 м2•ч/кг;
- для здания 170 м Rи = 1,616 м2•ч/кг;
- для здания 220 м Rи = 1,908 м2•ч/кг.
По данным машинных расчетов для выдерживания нормативной воздухопроницаемости окон при естественной вытяжке с помощью вертикальных шахт, выводящих воздух на кровлю, и механическом притоке в зданиях выше 150 м плотность окна должна быть не менее Rи = 3,0 м2•ч/кг, в зданиях от 75 до 150 м — не менее Rи = 2,0 м2•ч/кг (при разности давлений ∆Р = 10 Па).
При системах вентиляции с вертикальными шахтами, по которым воздух выбрасывается на кровлю, плотность квартирных дверей Rи = 1,5 м2•ч/кг при разности давлений ∆Р = 10 Па не обеспечивает нормативной воздухопроницаемости квартирных дверей G = 1,5 кг/ч•м2 (фактически 3–5 кг/ч•м2).
Разности давлений на квартирных дверях при естественной вытяжке составляют 200–380 Па (соответственно в зданиях 120 и 220 м).
На рис. 6 показаны распределения по этажам расходов воздуха и перепадов давлений на воздухопроницаемых элементах квартиры.
Так как формирующаяся разность давлений по обе стороны окна зависит не только от высоты здания, но и от его планировки и площади остекления, то для определения фактической воздухопроницаемости окон желательно делать индивидуальные расчеты воздушного режима высотных зданий.
* Во второй части статьи («Воздушный режим при механической вытяжной вентиляции») будут представлены расчеты для следующих систем вентиляции:
– механическая вытяжная вентиляция с общими вентиляторами на стволах и механический приток поэтажными установками с подачей санитарной нормы воздуха (180 кг/ч на квартиру); – механическая вытяжная вентиляция с общими вентиляторами на стволах и притоком через приточные клапаны, установленные в каждой комнате квартиры. Кроме этого, будут сделаны основные выводы по расчетам воздушного режима жилого здания. Часть 2. Воздушный режим при механической вытяжной вентиляции – читайте в следующем номере журнала «АВОК» (№ 1, 2005).Литература
1. СНиП 41-01-2003. Отопление, вентиляция, кондиционирование воздуха. М.: Госстрой России, 2004.
2. СНиП 2.01.07-85*. Нагрузки и воздействия / Госстрой РФ. М.: ГУП ЦПП, 1993.
3. СНиП II-3-79*. Строительная теплотехника / Госстрой РФ. М.: ГУП ЦПП, 1998.
4. CП 23-101-2000. Проектирование тепловой защиты зданий / Госстрой России. М.: ГУП ЦПП, 2001.
5. Константинова В. Е. Воздушно-тепловой режим в жилых зданиях повышенной этажности. М.: Стройиздат, 1969.
6. Титов В. П. Расчет вентиляционных систем с естественным побуждением для многоэтажных зданий // Вопросы тепловлажностного и воздушного режимов кондиционирования микроклимата: Сб. трудов. М: МИСИ, 1970. № 52.
7. Китайцева Е. Х. Алгоритм решения задач воздушного режима многоэтажных зданий // Проблемы математики и прикладной геометрии в строительстве: Сб. трудов МИСИ. М: МИСИ им. В.В. Куйбышева, 1982. № 72
8. Китайцева Е. Х., Малявина Е. Г. Естественная вентиляция жилых зданий // АВОК. 1999. № 3.
9. Бирюков С. В., Дианов С. Н. Расширение возможностей программы «AIR» для расчета воздушного режима здания: Сб. трудов ТГВ-75. М: МГСУ, 2003.