Влияние воздухопроницаемости на проектирование систем климатизации

W. A. Anis, технический директор фирмы «Shepley Bulfinch Richardson & Abbott», Бостон, США

 

Обычно считается, что инфильтрация воздуха возникает из-за недостаточного уплотнения оконных и дверных проемов. Отчасти это так, но более чем на 80 % возникновению инфильтрации способствуют недостатки проектирования или возведения ограждающих конструкций. «Достаточно ли свежего воздуха для дыхания?» – главный вопрос, связанный с воздухопроницаемостью ограждающих конструкций. В стандарте

ANSI/ASHRAE 62-1999 «Обеспечение качества внутреннего воздуха средствами вентиляции» рассмотрен этот вопрос. Не приведет ли уплотнение ограждающих конструкций к ухудшению качества воздуха? Как сказал член ASHRAE Joseph Lstiburec: «Чтобы контролировать воздушную среду, сначала нужно заполнить помещение воздухом» [1].

Е сли при проектировании здания не учитывать давление воздуха, воздействующее на ограждающие конструкции, это может привести к нарушению воздушного режима здания. Неконтролируемое давление воздуха на поверхность ограждающих конструкций и внутри здания вызывает инфильтрацию и эксфильтрацию воздуха, превосходящую производительность систем ОВК. Нарушая работу систем климатизации, эти явления могут вызывать дискомфорт и создавать проблемы для систем контроля качества воздушной среды.

В отопительный период эксфильтрация внутреннего воздуха означает вынос влаги и потери энергии. Конденсация водяного пара вызывает множество проблем, от переувлажнения и бактериального заражения до разрушения ограждающих конструкций.

В режиме охлаждения здания водяной пар вносится в помещение при инфильтрации воздуха с последующей конденсацией влаги, размножением бактерий, появлением плесени. Влажный воздух проникает сквозь ограждающие конструкции при низком давлении (разрежении) внутри помещений. Конденсация влаги может происходить в таких местах, как внутренние стены и потолки, примыкающие к наружным ограждениям.

Характеристики воздухопроницаемости [2]

Воздухопроницаемость ограждающих конструкций обусловлена пористостью материалов, наличием трещин и отверстий. Течение воздуха происходит под действием перепада давлений, обладающего достаточным потенциалом энергии для преодоления потерь на трение и других сопротивлений. Воздухопроницаемость способствует переносу тепла, водяного пара, дыма, запахов, пыли и других загрязнений как извне, так и между помещениями в здании.

Параметры течения воздуха сквозь ограждающие конструкции изменяются в зависимости от размера и формы отверстий. В отверстиях малого сечения при большой толщине ограждающих конструкций формируется ламинарное течение, для которого аэродинамическое сопротивление пропорционально скорости. Отверстия большего размера действуют как диффузоры, сопротивление которых пропорционально квадрату скорости. Обычно проникновение воздуха идет через отверстия разного типа. Как правило, проведение отдельных измерений и расчетов для каждого из них не практикуется. Общий расход воздуха, проникающего через всю совокупность отверстий, определяется следующим образом:

Q = C (Dp)ⁿ, (1)

где

Q – объемный расход инфильтрационного воздуха, фут³/мин;

C – коэффициент расхода, фут³/(мин•(дюйм в. ст.)n)*;

Dp – перепад давлений, дюйм в. ст.;

n – показатель степени, принимающий значения от 0,5 до 1. Для воздухопроницаемости стен и окон в большинстве случаев принимается 0,65**.

Рисунок 1 иллюстрирует связь между воздухопроницаемостью и перепадом давлений по сечению ограждающих конструкций.

Три основных фактора, создающих указанный перепад давлений, – ветровое давление, гравитационное давление, давление под действием системы вентиляции. Два дополнительных фактора: изменение барометрического давления и температурный перепад по сечению ограждающих конструкций (эти факторы менее значимы по сравнению с основными).

* По существу С – воздухопроницаемость совокупности отверстий, в данном контексте размерность С должна быть фут³/мин • (фут²/фунт)^1/n.
(Здесь и далее примеч. науч. ред.)

** В соответствии со СниП II-3-19* для окон принимается n=2/3 ~= 0,67.

Соответствие между неметрическими единицами США и единицами системы СИ:

1 фут3/мин = 1,6990 м3/ч 1 фунт/фут2 = 4,88243 кг/м2 1 фут/с2 = 0,3048 м/с2 1 фут = 0,3048 м 1 фут/с = 0,3048 м/с 1 дюйм в. ст. = 249,089 Па

Рисунок 1. Расход инфильтрационного воздуха определяется размером отверстия и перепадом давлений

Рисунок 2. Воздействие гравитационного давления

Воздействие ветрового давления

Для прочностного расчета ограждающих конструкций принимаются пиковые значения ветрового давления, а для расчета инфильтрации воздуха более подходят средние значения. Усредненные по времени значения давления на поверхность стен пропорциональны скорости ветра, согласно уравнению Бернулли:

p_v=r_aU_H²/2g, (2)

где

p_v – давление на поверхность стены, фунт/фут²;

U_H – средняя скорость ветра с наветренной стороны на высоте H, фут/с;

r_a – плотность наружного воздуха, фунт/фут³;

g – ускорение силы тяжести, фут/с².

Разность давления на поверхности стены и локального наружного атмосферного давления на том же уровне в неупорядоченном ветровом потоке определяется как

p_s = C_p • p_v, (3)

где

p_s – разность давлений, фунт/фут²;

C_p – локальный коэффициент ветрового давления (зависит от местности).

Среди трех факторов, определяющих инфильтрационный перепад давлений, ветровой напор наиболее значим. При равенстве температур внутреннего и наружного воздуха, если направление ветра перпендикулярно одной из стен, через наветренную стену происходит инфильтрация воздуха, а через три других и крышу – эксфильтрация. Если ветер направлен под углом – давление обращено на две стены, а эксфильтрация происходит через две других стены и крышу.

Инфильтрационный воздух не кондиционирован по температуре и влажности и может содержать загрязняющие вещества. Это вызывает дискомфорт и также может стать причиной воздушного дисбаланса, особенно в таких помещениях, как больничные изоляторы, «чистые» комнаты, зоны хранения химреактивов, которые спроектированы в расчете на контроль давления воздуха для защиты от распространения вредностей.

В разделах 16 и 26 справочника ASHRAE Fundamentals 2001 года дается количественная оценка ветрового давления на здания и его влияния на системы механической вентиляции.

Рисунок 3. Совместное воздействие ветрового давления, гравитационного давления и давления, создаваемого системами вентиляции

Воздействие гравитационного давления

Замечали ли вы, что в зимнее время входные двери в здания иногда открываются с трудом, а при открывании воздух с шумом врывается в щель? Это происходит под действием гравитационного давления. Эффект тяги, или «дымовой трубы», возникает из-за разности плотности столба воздуха внутри здания и снаружи. Эта разница плотности является причиной перепада давлений по сечению ограждающих конструкций.

Изменение абсолютного давления по высоте снаружи здания происходит быстрее, чем внутри, что также создает разность давлений. Лестничные клетки, шахты лифтов и атриумы соединяют нижний уровень здания с верхним, так что тяга распространяется по всем этажам. Рисунок 2 иллюстрирует воздействие гравитационного давления.

Чем выше здание, тем больше гравитационное давление. Во время отопительного периода имеет место эксфильтрация воздуха из верхней части здания, компенсируемая инфильтрацией в нижнюю часть. В период охлаждения здания все происходит наоборот.

В зимнее время холодный инфильтрационный воздух может стать причиной дискомфорта на нижних этажах и перегрузки системы отопления.

В 40-этажном здании с высотой этажа 4 м при температурах воздуха снаружи и внутри здания -7 и 21 °C соответственно и одинаковой суммарной площади отверстий внизу и наверху гравитационное давление составляет 100 Па. При проектировании вытяжки из гаража в указанном здании следует учитывать гравитационное давление. Величина гравитационного давления может превышать статическое давление вытяжного вентилятора. Если это произойдет, гараж станет источником загрязнения воздуха всего здания. Хорошей пассивной защитой в данном случае будет уплотнение дверных проемов входа и вестибюля, отделение гаража от вышерасположенных лестничных клеток, лифтовых шахт и других проемов, которые могли бы поставить гараж под воздействие гравитационного давления. Разделение здания на «отсеки» по высоте поэтажно или группами по несколько этажей и изоляция от лифтовых шахт сведет воздействие гравитационного давления до уровня одноэтажного или малоэтажного здания.

Приточные и вытяжные вентиляторы в многоэтажных жилых зданиях часто подбираются без учета воздействия гравитационного давления. Вытяжные системы с вертикальными шахтами, например для ванных комнат в гостиницах, как известно, часто не работают как следует; бывает, что воздух из ванных нижних этажей всасывается в ванные верхних этажей здания. Если разграничение здания на зоны и их изоляция не предусмотрена проектом, возможно, преодолеть воздействие гравитационного давления удастся только путем устройства отдельных вытяжных систем для каждого этажа. Возможно использование регуляторов с датчиками давления и электродвигателями с переменной скоростью вращения, приспосабливающими производительность вентилятора к изменению давления по объему здания. Приточные системы с вертикальными воздуховодами должны работать в условиях переменного давления в помещениях в течение всего года. По-видимому, здесь нет простых решений, которые изначально могли бы надежно обеспечивать воздушный баланс при любых условиях.

Приходилось ли вам замечать, как у некоторых кирпичных зданий парапет становится белесым, как будто выцветшим? Это происходит из-за эксфильтрации воздуха на стыке крыши со стенами. При этом содержащаяся в воздухе влага конденсируется на поверхности или в порах кирпичей, растворяя содержащиеся в кирпичной кладке соли. Затем вода высыхает, а соли остаются на поверхности. Весной дожди вновь растворяют и смывают соли и белизна на кирпичах исчезает.

Помимо изменения цвета стен, эксфильтрация влажного воздуха может вызвать повреждение конструкций из-за гниения, коррозии, растрескивания кирпичной или каменной кладки, а также бактериальное заражение. Перепад давлений между этажами здания может дезорганизовать воздушный режим помещений, рассчитанных на поддержание заданного давления без средств герметизации.

Гравитационное давление на высоте H определяется по формуле:

Dps = C₂(r₀-r_i)g(H-H_NPL) = C₂r_ig(H-H_NPL)(T_i-T₀)/T₀, (4)

где

Dps – гравитационное давление,

дюйм в. ст.;

r – плотность воздуха, фунт/фут³;

g – гравитационная постоянная, 32,2 фут/с²;

H – высота, фут;

H_NPL – высота уровня нейтрального давления (нейтральной зоны), фут;

T – средняя абсолютная температура, °К;

C₂ – коэффициент преобразования единиц = 0,00598;

i – внутри помещения;

0 – снаружи.

Уровень нейтрального давления – это высота, на которой инфильтрация переходит в эксфильтрацию. В зданиях с одинаковым размером неплотностей в верхней и нижней зонах и сбалансированной приточно-вытяжной вентиляцией уровень нейтрального давления находится на половине высоты. Положение уровня нейтрального давления зависит от соотношения размеров отверстий утечки и подсосов инфильтрационного воздуха. В большинстве зданий отверстия в основном находятся в верхней зоне – жалюзийные решетки в венткамерах, отверстия дымоудаления в лифтовых шахтах, неплотности в рамах зенитных фонарей и, в особенности, стык кровли и стен, который большинство архитекторов не считают нужным проектировать воздухонепроницаемым.

Совместное воздействие ветрового давления и гравитационного давления описывается уравнением*:

(5)

где

Q_ws – общий расход инфильтрации, фут³/мин;

Q_w – инфильтрация под действием ветрового давления, фут³/мин;

Q_s – инфильтрация под действием гравитационного давления, фут³/мин.

* В соответствии с физикой явления в российской нормативной и справочной литературе складываются не расходы, а давления. Сложение, приведенное здесь, корректно при n=1/2.

Воздействие давления, создаваемого системами вентиляции

Инженеры ОВК часто закладывают в проект избыточное давление внутри здания. Считается, что это предохраняет от проникновения в здание необработанного воздуха и загрязняющих веществ. Неопределенность воздействия инфильтрации воздуха может изменить результирующий воздушный баланс здания как в лучшую, так и в худшую сторону. Итоги недавних исследований инфильтрации воздуха в зданиях приведены в табл. 1. Данные по инфильтрации относятся к зданию в целом [3].

В климатических районах с преобладанием отопительного сезона подпор, создаваемый системами вентиляции, выдавливает влажный воздух через множество неустранимых неплотностей в стенах, перекрытии и полу. Зимой влага конденсируется, причиняя ущерб ограждающим конструкциям. Таким образом, с точки зрения долговечности ограждающих конструкций, давление внутри зданий должно быть слабо отрицательным в отопительный период и избыточным в период охлаждения. То есть обычная практика проектирования систем ОВК иногда не согласуется с требованиями к проектированию ограждающих конструкций здания.

Давление, создаваемое системой вентиляции, может соответствовать проекту или изменяться под воздействием случайных причин. В одном четырехэтажном здании академической лаборатории, которое автору недавно пришлось обследовать в зимнее время, на втором этаже было отрицательное давление 75 Па. Во время дождя влага всасывалась в каждую трещину ограждающих конструкций. Здание протекало, т. к. уплотнение было недостаточным. Системы ОВК не справлялись с инфильтрацией, поэтому люди в здании мерзли. Отрицательное давление было вызвано дисбалансом приточной и вытяжной вентиляции.

Рисунок 3 служит иллюстрацией совместного воздействия гравитационного, ветрового давлений и давления, создаваемого системами вентиляции.

Таблица 1 Средние значения приведенной воздухопроницаемости, л/с• м2 при давлении 75 Па, по типам зданий и типам данных

Тип здания (№ образца) Средние значения воздухопроницаемости, л/с• м2 при разности давления 75 Па Данные типа 1* Данные типа 2** Данные типа 3*** Многоквартирные жилые здания Канада (12) 3,19     Канада (3)   4,00   Канада (6)     3,23 Офисные здания Канада (8) 2,48     США (7) 5,91     Великобритания (12) 7,55     Великобритания (13)   6,67   Школы Канада (11) 1,48     США (14) 2,44     Коммерческие здания Канада (8) 1,35     США (68) 6,18     Канада (10)   13,95   Промышленные здания Великобритания (5) 6,95     Великобритания (2)   22,52   Швеция (9)   1,45   Государственные учреждения Канада (2)   0,86

* Испытания проводились для всего здания: в расчете величины воздухопроницаемости на 75 Па учитывалась вся наружная поверхность здания, включая участки ниже уровня земли. ** Испытания проводились для всего здания при различном перепаде давлений; данные конвертировались в значения воздухопроницаемости на 75 Па. *** Испытания проводились для отдельных этажей или квартир; в расчете величины воздухопроницаемости на 75 Па учитывалась поверхность наружных стен этажа или квартиры.

Рекомендации

При корректном проектировании ограждающих конструкций обязательно следует принимать во внимание давление воздуха. Воздухонепроницаемость ограждающих конструкций здания является решающим фактором для нормального функционирования систем ОВК. Горизонтальные разделение этажей и изоляция лифтовых шахт помогут избежать воздействия гравитационного давления и распространения дыма и огня. Предпосылкой успеха послужит технология проектирования ограждающих конструкций с барьером для движения воздуха.

Таким образом, проектировщики могут предпринять следующие действия:

1. Проектировать наружные ограждающие конструкции воздухонепроницаемыми, с расчетом на ветровое и гравитационное давление и давление, создаваемое системами вентиляции. В Массачусетсе, по заказу Министерства энергетики США (DOE), издан бесплатный курс проектирования ограждающих конструкций, включающий руководство по технологии барьеров для движения воздуха, и другие учебные материалы [4]. Американская ассоциация инженеров по барьерам для движения воздуха (АВАА) [5] предоставляет инструкции по применению указанной технологии, необходимую информацию, квалифицированных подрядчиков и т. п.

2. Проектировать воздухонепроницаемые компоненты наружных ограждающих конструкций, которые могут воспринять внутреннее давление – как положительное, так и отрицательное. Это поможет контролировать инфильтрацию и эксфильтрацию воздуха. Зоны внутри зданий с существенно различным микроклиматом также следует разделять барьерами для движения воздуха, например, бассейны и офисные помещения или помещения с контролируемой и неконтролируемой влажностью.

3. Изолировать воздухонепроницаемыми перегородками вертикальные «шахты» (лифты, лестничные клетки, воздуховоды и атриумы) от помещений на этажах. Устанавливать в вестибюлях уплотненные двери и дополнительные стенки для защиты от гравитационного давления.

4. Устанавливать уплотненные двери в помещениях с выделением вредностей – копировальных отделениях, складах химреактивов и моющих средств, туалетах, гаражах; обеспечивать воздухонепроницаемость всех ограждений этих помещений.

Таблица 2 Допустимые значения воздухо- и паропроницаемости

Паропроницаемость (WVP) наружного слоя стены, нг/(Па•с•м2) Максимально допустимая воздухопроницаемость (л/с•м2 на 75 Па) 15 < WVP <= 60 0,05 60 < WVP <= 170 0,10 170 < WVP <= 800 0,15 WVP > 800 0,20

Требования стандартов

Во всем мире становится актуальной проблема энергоресурсов. В cправочнике ASHRAE Fundamentals 2001 года, в разделах 23 и 24, четко сформулированы положения, требующие проектировать ограждающие конструкции здания с защитой от воздухопроницания. «Нормы проектирования ограждающих конструкций зданий государственных учреждений: теплозащита и воздухопроницаемость» [6] также содержат указания по применению барьеров для движения воздуха.

Барьер для движения воздуха – это компонент, выбираемый проектировщиком для защиты ограждающих конструкций от воздухопроницаемости. Возможные способы защиты – это заклеивание стыков уплотнителями или герметизация при изготовлении. Защитный материал должен выдерживать разнонаправленный перепад давлений по сечению ограждения. Конструктивное исполнение барьера также должно быть эластичным (пленки, уплотнители и т. п.).

Национальный строительный стандарт Канады включает требования к воздухопроницаемости уже на протяжении 16 лет. В разделе «Барьеры для движения воздуха» (1995 г.) задается минимально допустимое значение воздухопроницаемости материала, используемого в качестве барьера, – 0,02 л/с•м² при перепаде давлений 75 Па (соответствует воздухопроницаемости неокрашенной гипсовой плиты толщиной 12,5 мм).

В том же году в Массачусетсе был принят новый энергетический стандарт. В разделе «Барьеры для движения воздуха» содержится требование защиты от воздухопроницаемости наружных ограждающих конструкций здания. Требования аналогичны канадскому стандарту и указывают то же значение воздухопроницаемости материалов, которые можно считать барьерами для движения воздуха. Массачусетс не дает своего определения воздухонепроницаемости, т. к. это относительная величина и, кроме того, вопросы строительной технологии и проектирования для них являются новыми.

Стыки материалов, используемых в качестве барьеров для движения воздуха, должны выполняться герметичными и эластичными, как и стыки окон и дверей со стенами, стыки стен с крышей и фундаментом. В результате в здании значительно снизится воздухопроницаемость, возрастет его долговечность и энергетическая эффективность, улучшится микроклимат помещений.

Канадский центр строительных материалов разработал протокол испытаний системы барьеров для движения воздуха. Под системой понимается соединение стен с фундаментом при наличии проемов – коммуникаций, окон и т. п. Система подвергается испытаниям при разных давлениях воздуха в течение различных периодов времени. В приложении к канадскому строительному стандарту предлагается ввести допуск в требования к воздухопроницаемости ограждений в зависимости от влажности внутреннего воздуха. Приведенные цифры относятся к системе барьеров для движения воздуха. При этом имеются в виду не утечки через большие трещины и дефекты ограждающих конструкций, а лишь диффузионный воздухообмен сквозь ограждающие конструкции. Когда оценивается только плотность материалов ограждающих конструкций, не имеет смысла принимать во внимание указанные утечки, а с точки зрения систем ОВК это иногда целесообразно, хотя и не обязательно.

Специалистами разных стран постоянно обсуждается вопрос – возможно ли добиться герметичности здания в целом. Как видно из табл. 1, в которую включены данные по зданиям в Канаде, специально спроектированным с барьерами для движения воздуха, нормативные значения воздухопроницаемости 0,1 л/с•м² при разности давлений 75 Па для относительной влажности внутреннего воздуха 27–55 % не были достигнуты. Последние рекомендации [7] состоят в том, чтобы привязывать допустимую воздухопроницаемость системы барьеров для движения воздуха к проницаемости покрытия ограждающих конструкций. Эти рекомендации приведены в табл. 2. Моделирование проводилось при внутренней относительной влажности в зимнее время 35%.

Пока не накопится достаточное количество достоверных данных по воздухопроницаемости конкретных зданий, останется открытым вопрос о том, следует ли рассчитывать воздухопроницаемость здания в целом при проектировании ограждающих конструкций (при этом утечка воздуха через трещины и другие дефекты остается отдельной проблемой). Разумеется, для инженера ОВК очень важна предварительная оценка воздухопроницаемости. Наилучшим решением является учет этого фактора при проектировании и надлежащий надзор за уплотнением ограждающих конструкций при строительстве.

Где проходит разграничение компетенции инженера ОВК и архитектора при проектировании ограждающих конструкций? Ограждения зданий обычно проектируются архитекторами, которым, в большинстве случаев, ничего неизвестно о взаимодействии ограждающих конструкций и систем климатизации. Затем здание возводится подрядчиками, которые стараются следовать проекту, не уделяя специального внимания воздухопроницаемости. Поэтому для реального обеспечения воздухонепроницаемости зданий необходимо просвещение в этой области и сотрудничество всех специалистов.

Литература

1. Lstiburec J. L. Building Science Corporation. Wesford, Mass.

2. Hutcheon N. B., Handegord G. O. P. Building Science for a Cold Climate. 1983.

3. Air Leakage Characteristics, Test Methods and Specifications for Large Buildings. CMHC Technical Series 1-800-668-2642.

4. www.state.ma.us/bbrs/energy.html – информация по барьерам для движения воздуха: устройство, материалы для обучения и др.

5. www.airbarrier.org – Американская ассоциация инженеров по барьерам для движения воздуха.

6. Persily A. K. Envelope Design Guidelines for Federal Office Buildings: Thermal Integrity and Airtightness. NISTIR 4821. U. S. Department of Commerce, National Institute of Standards and Technology. Gaithersburg.

7. Canadian Construction Centre (CCMC). Technical Guide.

 

Перепечатано с сокращениями из журнала ASHRAE.

Перевод с английского О. П. Булычевой.

Научное редактирование выполнено канд. техн. наук Е. Г. Малявиной,

тел. 188-3607.