Естественная вентиляция жилых зданий

Е. Х. Китайцева , доценты МГСУ

Е. Г. Малявина, доценты МГСУ

От эффективности работы вентиляции зависит качество воздуха, которым мы дышим. Недооценка влияния воздухообмена на состояние воздушной среды в жилых квартирах приводит к существенному ухудшению самочувствия проживающих в них людей.

СНиП 2.08.01-89 "Жилые здания" рекомендует следующую схему воздухообмена квартир: наружный воздух поступает через открытые форточки жилых комнат и удаляется через вытяжные решетки, установленные в кухнях, ванных комнатах и туалетах. Воздухообмен квартиры должен быть не менее одной из двух величин: суммарной нормы вытяжки из туалетов, ванных комнат и кухни, которая в зависимости от типа кухонной плиты составляет 110 - 140 м³/ч, или нормы притока, равной 3 м³/ч на каждый м² жилой площади. В типовых квартирах, как правило, первый вариант нормы оказывается решающим, в индивидуальном - второй. Так как этот вариант нормы для больших квартир приводит к неоправданно завышенным расходам вентиляционного воздуха, в московских региональных нормах МГСН 3.01-96 "Жилые здания" предусматривается воздухообмен жилых комнат с расходом 30 м³/ч на одного человека. В большинстве случаев проектными организациями эта норма трактуется как 30 м³/ч на одну комнату. В результате в больших муниципальных (не элитных) квартирах воздухообмен может быть занижен.

В жилых зданиях массовой застройки традиционно выполняется естественная вытяжная вентиляция. В начале массового жилищного строительства применялась вентиляция с индивидуальными каналами от каждой вытяжной решетки, которые соединялись с вытяжной шахтой непосредственно или через сборный канал на чердаке. В зданиях до четырех этажей эта схема применяется до сих пор. В высоких домах для экономии места через каждые четыре - пять этажей несколько вертикальных каналов объединялось одним горизонтальным, от которого далее воздух направлялся к шахте по одному вертикальному каналу.

В настоящее время принципиальным решением систем естественной вытяжной вентиляции многоэтажных зданий является схема, включающая в себя вертикальный сборный канал - "ствол" - с боковыми ответвлениями - "спутниками". Воздух поступает в боковое ответвление через вытяжное отверстие, расположенное в кухне, ванной комнате или туалете и, как правило, в междуэтажном перекрытии над следующим этажом перепускается в магистральный сборный канал. Такая схема значительно компактнее системы с индивидуальными каналами, может быть аэродинамически устойчивой и отвечает требованиям противопожарной безопасности.

Каждая вертикаль квартир может иметь два "ствола": по одному осуществляется транзит воздуха из кухонь, по другому - из туалетов и ванных комнат. Допускается использовать один "ствол" для вентиляции кухонь и сантехкабин при условии, что место присоединения боковых ответвлений к сборному каналу в одном уровне должно быть выше уровня обслуживаемого помещения не менее чем на 2 м. Один или два последних этажа часто имеют индивидуальные каналы, не связанные с общим магистральным "стволом". Это происходит, если конструктивно невозможно подсоединить верхние боковые каналы к магистральному по общей схеме.

В типовых зданиях основным элементом системы естественной вентиляции является поэтажный вентблок. В зданиях, строящихся по индивидуальным проектам, вытяжные воздуховоды чаще всего выполняются в металле.

Вентблок включает в себя участок магистрального канала одного или нескольких боковых ответвлений, а также отверстие, соединяющее вентблок с обслуживаемым помещением. Сейчас боковые ответвления подключаются к магистральному каналу через 1 этаж, тогда как более ранние решения предусматривали подключение через 2 - 3 и даже через 5 этажей. Междуэтажный стык вентблоков является одним из самых ненадежных мест системы вытяжной вентиляции. Для его герметизации до сих пор иногда используется цементный раствор, укладываемый на месте по верхнему торцу нижележащего блока. При установке следующего блока раствор выдавливается и частично перекрывает сечение вентиляционных каналов, вследствие чего меняется их характеристика сопротивления. Кроме того, отмечались случаи негерметичной заделки стыка между блоками. Все это приводит не только к нежелательному перераспределению воздушных потоков, но и к перетеканию воздуха через вентиляционную сеть из одних квартир в другие. Использование специальных герметиков все же приводит к желаемому результату в условиях трудоемкости операции заделки при труднодоступности шва.

В целях сокращения теплопотерь через потолок верхнего этажа и для повышения температуры на его внутренней поверхности большинство типовых проектов многоэтажных зданий предусматривает устройство "теплого чердака" высотой около 1,9 м. В него поступает воздух из нескольких сборных вертикальных каналов, что делает чердак общим горизонтальным участком системы вентиляции. Удаление воздуха из чердачного помещения осуществляется через одну на каждую секцию дома вытяжную шахту, устье которой в соответствии со СНиП "Жилые здания" располагается на 4,5 м выше перекрытия над последним этажом.

При этом вытяжной воздух на чердаке не должен остывать, в противном случае увеличивается его плотность, что приводит к опрокидыванию циркуляции или снижению расхода вытяжки. У пола чердака над вентблоком устраивается оголовок, внутри которого, как правило, подсоединяются боковые каналы последнего этажа к магистральному. При выходе из оголовка в "стволе" воздух движется с высокой скоростью, поэтому к нему за счет эжекции подсасывается вытяжной воздух из боковых каналов последнего этажа.

Так как одни и те же вентблоки используются в зданиях от 10 до 25 этажей, то для 10 - 12-этажного здания скорость воздуха в магистральном канале при выходе на "теплый чердак" недостаточна для эжекции воздуха из бокового ответвления верхнего этажа. В результате этого, при отсутствии ветра или при ветре, направленном на противоположный для рассматриваемой квартиры фасад, нередки случаи опрокидывания циркуляции и задувания вытяжного воздуха других квартир в квартиры последнего этажа.

Расчетным для естественной вентиляции является режим открытых форточек при температуре наружного воздуха +5°С и безветренной погоде. При понижении температуры наружного воздуха тяга увеличивается, и считается, что проветривание квартир только улучшается. Рассчитывается система изолированно от здания. В то же время расход удаляемого системой воздуха является всего лишь одной составляющей воздушного баланса квартиры, в котором кроме него значимую роль могут играть расходы воздуха, инфильтрующегося или эксфильтрующегося через окна и поступающего или выходящего из квартиры через входную дверь. При разных погодных условиях и направлениях ветра, открытых или закрытых форточках составляющие этого баланса перераспределяются.

Кроме конструктивных решений самой системы и погодных условий - температуры и ветра - на работу естественной вентиляции оказывают влияние высота здания, планировка квартиры, ее связь с лестнично-лифтовым узлом, размеры и воздухопроницаемость окон и входных в квартиру дверей. Поэтому нормы плотности и размеров этих ограждений тоже следует считать имеющими отношение к вентиляции, как и рекомендации по планировке квартир.

Воздушная среда в квартире будет лучше, если квартира обеспечена сквозным или угловым проветриванием. Обязательной эта норма по СНиП "Жилые здания" является только для зданий, проектируемых для III и IV климатических районов. Однако в настоящее время и для средней полосы России архитекторы стараются размещать в здании квартиры так, чтобы они удовлетворяли этому условию.

К входным дверям в квартиры СНиП'ом "Строительная теплотехника" предъявляется требование высокой герметичности, обеспечивающей воздухопроницаемость не более 1,5 кг/ч·м², что практически должно отсечь квартиру от лестнично-лифтовой шахты. В реальных условиях добиться требуемой плотности квартирных дверей удается далеко не всегда. На основании многочисленных исследований, проводимых в 80-х годах ЦНИИЭП инженерного оборудования, МНИИТЭП'ом, известно, что в зависимости от степени уплотнения притворов дверей значения их аэродинамической характеристики сопротивления отличаются почти в 6 раз. Неплотность квартирных дверей порождает проблему перетекания отработанного воздуха из квартир нижних этажей по лестничной клетке в квартиры верхних этажей, в результате чего даже при хорошо работающей вытяжной вентиляции приток свежего воздуха значительно сокращается. В зданиях с односторонним расположением квартир эта проблема усугубляется. Схема формирования воздушных потоков в многоэтажном здании с неплотными квартирными дверями показана на рис. 1. Одним из способов борьбы с перетеканием воздуха через лестничную клетку и лифтовую шахту является устройство поэтажных коридоров или холлов, имеющих дверь, отделяющую лестнично-лифтовый узел от квартир. Однако такое решение при неплотных квартирных дверях усиливает горизонтальное перетекание воздуха из односторонних квартир, выходящих на наветренный фасад, в квартиры заветренной ориентации.

Рисунок 1. Формирование воздушных потоков в многоэтажном здании

Воздухопроницаемость окон жилых зданий по СНиП "Строительная теплотехника" не должна превышать 5 кг/ч·м² для пластиковых и алюминиевых окон, 6 кг/ч·м² - для деревянных. Их размеры, исходя из норм освещенности, определяются СНиП "Жилые здания", ограничивая отношение площади световых проемов всех жилых комнат и кухонь квартиры к площади пола этих помещений величиной не более 1:5,5.

При естественной вытяжной вентиляции окна играют роль приточных устройств. С одной стороны малая воздухопроницаемость окон приводит к нежелательному сокращению воздухообмена, а с другой - к экономии теплоты на подогрев инфильтрационного воздуха. При недостаточной инфильтрации вентиляция осуществляется через открытые форточки. Невозможность отрегулировать положение створок форточек вынуждает жильцов иногда использовать их только для кратковременного проветривания помещений даже при ощутимой духоте в квартире.

Альтернативным вариантом неорганизованного притока являются приточные устройства различных конструкций, установленные непосредственно в наружных ограждениях. Рациональное размещение приточных устройств в сочетании с возможностью регулировать расход приточного воздуха позволяет считать их установку достаточно перспективной.

Натурные исследования и многочисленные расчеты воздушного режима здания позволили выявить общие тенденции изменения составляющих воздушного баланса квартир при изменении погодных условий для различных зданий.

Рисунок 2. Варианты размещения аэромата

При понижении температуры наружного воздуха увеличивается доля гравитационной составляющей в разности давления снаружи и внутри жилого дома, что приводит к увеличению расходов инфильтрации через окна на всех этажах здания. Более существенно это увеличение сказывается на нижних этажах здания. Увеличение скорости ветра при неизменной температуре наружного воздуха вызывает увеличение давления только на наветренном фасаде здания. Наиболее сильно изменение скорости ветра влияет на перепады давлений верхних этажей высоких зданий. Скорость и направление ветра оказывают более сильное воздействие на распределение воздушных потоков в системе вентиляции и расходы инфильтрации чем температура наружного воздуха. Изменение температуры наружного воздуха от -15°С до -30°С приводит к такому же увеличению воздухообмена в квартире как и увеличение скорости ветра от 3 до 3,6 м/с. Возрастание скорости ветра не сказывается на расходе воздуха, удаляемого из квартиры заветренного фасада, однако при плохих входных дверях приток в них уменьшается через окна и увеличивается через входные двери. Влияние гравитационного давления, ветра, планировки, сопротивления воздухопроницанию внутренних и наружных ограждающих конструкций для зданий повышенной этажности выражено более резко, чем в зданиях малой и средней этажности.

Рисунок 3. Схема регулируемого приточного клапана, устанавливаемого в стену 1. Регулировочная ручка 2. Крышка из пластика на основе сополимера акрилонитрила, бутадиена и стирола 3. Фильтр PPI-15 4. Узел регулировки 5. Корпус из пластика на основе сополимера акрилонитрила, бутадиена и стирола 6. Прокладка из термопластичной пластмассы и резины 7. Впускной воздушный канал диаметром 133/125 из полиэтилена высокой плотности 8. Шумоглушитель из минеральной ваты 9. Наружная решетка US-AV из формованного алюминия, снабженная сеткой для предотвращения попадания насекомых

В связи с установкой в здании плотных окон устройство только вытяжной системы оказывается неэффективным. Поэтому для подачи притока в квартиры используются как различные устройства (специальные аэроматы в окнах, имеющие довольно большое аэродинамическое сопротивление и не пропускающие шум с улицы (рис. 2), приточные клапаны в наружных стенах (рис. 3), так и проектируется механическая приточная вентиляция.

За рубежом получили распространение в жилищном строительстве механические системы вытяжной вентиляции, особенно для зданий повышенной этажности. Эти системы отличает устойчивая работа во все периоды года. Наличие малошумных и надежных в работе крышных вентиляторов (аналогичными вентиляторами оборудуются и шахты мусоропровода) сделало такие системы достаточно массовыми. Для притока воздуха в оконных переплетах устанавливаются, как правило, аэроматы.

К сожалению отечественный опыт применения общих для здания или стояка систем механической вентиляции связан с рядом проблем, о чем свидетельствовал пример эксплуатации в Москве десятков 22-этажных зданий серии И-700А. По состоянию воздушной среды в свое время они были признаны аварийными. Следствием конструктивных и монтажных дефектов, а также плохой эксплуатации (неработающие вентиляторы) является недостаточное удаление воздуха в целом из всех квартир и перетекание его из одних квартир по неработающей системе в другие. Отмечены и другие недостатки, связанные с плохой герметичностью систем и сложностью их монтажной регулировки.

В лучшем положении, с точки зрения эксплуатации вентиляторов, находятся квартиры с индивидуальными вентиляторами. К ним относятся квартиры ряда типовых зданий, где на последних этажах в индивидуальные вытяжные каналы устанавливаются небольшие осевые вентиляторы.

Большое число нареканий на работу систем естественной вентиляции сделало правомерным вопрос: а может ли такая система работать хорошо при различных погодных условиях? Ответ на этот вопрос было решено получить методом математического моделирования путем совместного рассмотрения воздушного режима всех помещений здания с системой вентиляции, позволяющим выявить достоверную качественную и количественную картину распределения воздушных потоков в здании и системе вентиляции.

Для исследования было выбрано 11-этажное одноподъездное здание, в котором все квартиры имеют угловое проветривание. Два последних этажа занимают двухуровневые квартиры. Площади окон и их воздухопроницаемость в здании соответствуют нормам так же как и воздухопроницаемость дверей (воздухопроницаемость окон 1-го этажа равнялась 6 кг/ч·м², а дверей - 1,5 кг/ч·м²). В лестничной клетке на всех этажах имеются окна. В каждой квартире расположено два "ствола" систем естественной вытяжной вентиляции, выполненной в металле. Все системы вентиляции были приняты такими, как они рассчитаны проектной организацией. Магистральные каналы предусмотрены одного диаметра по высоте. Диаметры боковых ответвлений также выполнены одинаковыми. Для боковых ответвлений подобраны диафрагмы, выравнивающие расходы вытяжного воздуха по этажам. Высота шахты над полом верхнего технического этажа возвышается на 4 м.

Расчетом определялись расходы воздуха, составляющие воздушный баланс каждой квартиры при различных наружных температурах, скорости ветра и при открытых и закрытых форточках.

Кроме основного вышеописанного варианта, были рассмотрены варианты с квартирными дверями, соответствующими воздухопроницаемости 15 кг/ч·м² при разности давлений в 10 Па и с окнами, обеспечивающими воздухопроницаемость 10 кг/ч·м² на первом этаже при наружной температуре -26°С.

Результаты расчета для квартиры с требуемым расходом вытяжки 120 м³/ч·м² представлены на рис. 4.

Рисунок 4а свидетельствует о том, что при нормативных окнах и дверях и закрытых форточках расходы удаляемого через вытяжную вентиляцию воздуха практически равны расходам инфильтрационного воздуха в течение всего отопительного сезона при ветре и при безветрии. Через квартирные двери практически нет движения воздуха (все двери работают на приток с расходом 0,5 - 3 м³/ч·м²). Через окна наветренного и заветренного фасадов наблюдается инфильтрация. Расходы на верхнем этаже относятся к двухуровневой квартире, что и объясняет увеличенные значения расходов. Видно, что вентиляция работает достаточно равномерно, но при закрытых окнах нормы воздухообмена не выполняются даже при температуре наружного воздуха -26°С и лобовом ветре 4 м/с на один из фасадов квартиры.

На рис. 4б показано изменение расходов воздуха того же варианта ограждений в здании, но при открытых форточках. Двери по-прежнему изолируют квартиры всех этажей от лестничной клетки. При +5°С и безветрии воздухообмен квартир близок к нормативному с небольшим перерасходом на первых этажах (кривые 3). При температуре наружного воздуха -26°С и ветре 4 м/с воздухообмен превышает нормативный в 2,5 - 2,9 раза. Причем форточки наветренного фасада (кривая 1н) работают на приток, а бокового - на вытяжку (кривая 1б). Система вентиляции удаляет воздух с большим перерасходом. На этом же рисунке показаны расходы воздуха в теплый период года (температура наружного воздуха по параметрам А). Разность между температурами наружного и внутреннего воздуха 3°С. При ветре 3 м/с через окна одного фасада воздух поступает (кривая 5н), через окна другого - удаляется (кривая 5б). Воздухообмен достаточен. При безветрии (или при заветренном фасаде) все окна компенсируют вытяжку, которая составляет от 35 до 50% нормы (кривые 4).

Рисунки 4в и 4г иллюстрируют те же режимы, что и рисунки 4а и 4б, но при дверях с увеличенной воздухопроницаемостью. Видно, что вентиляция работает по-прежнему устойчиво. При закрытых форточках перетекание воздуха через квартирные двери незначительно, при открытых - в нижних этажах воздух уходит через двери в лестничную клетку, в верхних - поступает в квартиры. На рис. 4г расходы воздуха через двери относятся к вариантам 1 и 5. В вариантах 3 и 4 расходы воздуха через двери незначительны.

Варианты окон и дверей повышенной воздухопроницаемости при закрытых форточках приведены на рис. 4д. Расчеты показывают, что при воздухопроницаемых окнах инфильтрация обеспечивает вентиляционную норму воздуха только в самый холодный период года.

Заключение

В квартирах с двухсторонней ориентацией естественная вентиляция может работать хорошо большую часть года, если она правильно рассчитана и смонтирована. В жаркую погоду только воздействие ветра может обеспечить требуемый воздухообмен.

Современные нормы воздухопроницания окон заставляют задуматься о специальных мероприятиях по обеспечению притока наружного воздуха в квартиры.

Значительного улучшения воздушного режима жилых зданий можно добиться, если воздухопроницаемость квартирных дверей приблизить к нормативной. С одной стороны, норму воздухопроницаемости можно было бы даже несколько повысить, а с другой, необходимо дать подход к расчету требуемого сопротивления воздухопроницанию квартирных дверей. Сейчас невозможно подобрать двери, соответствующие норме, для зданий различной этажности и планировки с учетом климатических факторов.