Регулируемая вентиляция жилых многоэтажных зданий

И. Ф. Ливчак, профессор, доктор техн. наук;

А. Л. Наумов, канд. техн. Наук

С введением новых нормативных требований к теплозащите наружных ограждающих конструкций здания доля трансмиссионных потерь теплоты в тепловом балансе значительно снизилась и, соответственно, расход теплоты на нагрев наружного воздуха для вентиляции вырос и достигает 50—60 %.

Переход в массовом жилищном строительстве на герметичные окна со стеклопакетами наряду с положительными факторами, такими как уменьшение теплопотерь и улучшение акустических характеристик жилища, привел к ухудшению воздушного режима помещений с традиционными системами естественной вентиляции.

Старые окна в деревянных переплетах обладают в несколько раз большей воздухопроницаемостью, чем современные металлопластиковые конструкции со стеклопакетами. Полностью закрытые деревянные окна обеспечивают режим инфильтрации, близкий к нормативному уровню воздухообмена в квартирах, и только при низких наружных температурах возникает необходимость в заклеивании переплетов. Учитывая малый размер щелей в окнах и их большую протяженность, наружный инфильтрирующийся воздух быстро смешивается с конвективным потоком от отопительных приборов и не создает в большинстве случаев дискомфортных зон.

В современных зданиях при полностью закрытых окнах инфильтрация незначительна — на порядок ниже требуемого по нормативам воздухообмена.

Распространенные в Западной Европе окна с откидной фрамугой по всей высоте окна в наших условиях мало пригодны для комфортной естественной вентиляции, т. к. поток холодного наружного воздуха поступает в помещение с уровня нижней отметки окна сосредоточенно, не успевает нагреться конвективными потоками отопительного прибора и выхолаживает нижнюю зону помещения, создавая ощущения «сквозняка». Мощность конвективных потоков от отопительных приборов в современных зданиях примерно в 1,5 раза меньше, чем в старых домах. Это еще больше дискредитирует систему естественной вентиляции в современных зданиях.

К сожалению, в целом прогрессивные новые строительные требования к ограждающим конструкциям не были своевременно поддержаны изменением требований к системам вентиляции жилых многоэтажных зданий. Правда, в редакции СНиП 2.04.05-91* под термином «вентиляция» подразумевается воздухообмен «при средней необеспеченности 400 часов в году», что, по существу, снимает в большинстве случаев ответственность проектировщиков за качество принятых решений.

Попытки на верхних этажах зданий устанавливать бытовые вентиляторы в вытяжные проемы туалетов, ванных комнат, кухонь не привели к серьезному улучшению работы вентиляции, так же, как и устройство центральных систем вытяжной механической вентиляции. Из-за несбалансированности объемов приточного и вытяжного воздуха эти системы работают неустойчиво.

Регулирование объемов приточного воздуха с помощью открывания фрамуг стабилизирует работу системы вентиляции, но часто приводит к выхолаживанию нижней зоны помещений.

Более устойчиво работают системы центральной приточной механической вентиляции с вытяжной — естественной, но и они не лишены недостатков, связанных с ограничениями индивидуального регулирования воздухообмена и перерасходом тепла.

Сформулируем основные положения, которые, по нашему мнению, должны определять подходы к системам вентиляции многоэтажных жилых зданий:

1. Система вентиляции — один из основных факторов инженерного обеспечения зданий, который определяет комфортность среды обитания и здоровье жителей.

2. Расход теплоты на вентиляцию современных квартир соизмерим, а в ряде случаев превышает трансмиссионные теплопотери жилых зданий.

3. Потребность квартир в вентиляции, связанная с режимом их эксплуатации (приготовление пищи, стирка, переменное количество людей в течение суток и др.), характеризуется широким диапазоном необходимого воздухообмена, меняющегося по отдельным помещениям квартиры в течение суток. Минимальный воздухообмен в квартире должен обеспечить удаление из помещений вредностей, выделяемых строительными конструкциями, отделочными материалами, мебелью и т. п. (радон, фенолформальдегиды и др.). Максимальный воздухообмен может быть принят по данным стандарта НП «АВОК» «Организация воздухообмена в квартирах многоэтажного жилого дома» (М., 2003). Потребная глубина регулирования воздухообмена в квартире в большинстве случаев находится в диапазоне 10—100 %.

4. Жители должны иметь возможность контролировать и регулировать воздухообмен вне зависимости от гравитационного и ветрового перепада давления в квартире и снаружи.

5. Движение воздуха в квартире должно быть организовано таким образом, чтобы направление потоков приточного воздуха из жилых помещений было направлено в зоны выделения вредностей на кухню, в ванные комнаты, туалеты. Интенсивность удаления воздуха из отдельных загрязненных зон не должна «опрокидывать» вытяжку из других. Например, включение надплиточного зонта на кухне не должно существенно снижать объем удаляемого воздуха в ванной комнате и туалете.

6. Организация воздухообмена не должна приводить к ухудшению акустического режима и должна предусматривать меры как по защите от «городского» шума, так и от шума, генерируемого системами механической вентиляции.

Возможно ли, основываясь на этих положениях, реализовать экономичную систему вентиляции?

Практика европейских технически развитых стран, в т. ч. «холодных» скандинавских, а также первые пилотные проекты в России показывают, что у данной задачи есть современные решения.

Рассмотрим причины неустойчивости работы системы вентиляции и способы их устранения.

Направление и скорость ветра, температура наружного воздуха могут существенно изменять режимы работы традиционной системы естественной вентиляции квартир. Эти изменения могут соответствовать очень широкому диапазону: от «опрокидывания», когда вытяжные устройства начинают работать на приток, до увеличения воздухообмена по отношению к расчетному в 2—3 раза. Неустойчивость работы систем вентиляции, с одной стороны, может привести к воздушно-тепловому дискомфорту, с другой — к перерасходу тепловой энергии.

Нарушения режима работы системы вентиляции связаны с изменениями перепада давления воздуха снаружи и внутри квартиры.

Возможно ли обеспечить стабильный воздухообмен в квартире при изменении перепада давления воздуха?

Рассмотрим зависимость, определяющую массовый расход воздуха G через отверстие площадью F при перепаде давления DР:

(1)

где z — коэффициент местного сопротивления движения воздуха;

r — плотность воздуха.

Для того чтобы сохранялся постоянный расход воздуха, необходимо выполнение условия:

(2)

При увеличении перепада давления необходимо обеспечить уменьшение площади отверстия или увеличение коэффициента местного сопротивления или изменить оба эти параметра.

Известен ряд конструктивных решений, сравнительно просто реализующих устройства постоянного расхода воздуха.

На рис. 1 представлены три варианта устройств.

Рисунок 1. Примеры конструктивных решений регуляторов постоянства расхода воздуха

Первое (А) это пластина, свободно вращающаяся вокруг горизонтальной оси. Под действием перепада давления пластина отклоняется, изменяя живое сечение для прохода воздуха. Чем больше перепад давления, тем больше отклонение пластины и тем меньше сечение канала для прохода воздуха. Давление на пластину уравновешивается силой тяжести.

Во втором устройстве (Б) используются упругие свойства пластины. Перепад давления отклоняет пластину, заставляя ее упруго выгибаться и менять сечение канала.

В третьем устройстве (В) используется эластичный резервуар, изменяющий свой объем при перепадах давления.

Аэродинамическая характеристика устройств показана на рис. 2.

Рисунок 2. Расходная характеристика регуляторов постоянства расхода воздуха. 1 — нерегулируемый проем; 2 — регулятор постоянства расхода воздуха

Пунктирная кривая 2 — парабола, характеризующая изменение расхода воздуха в нерегулируемых устройствах. В регулируемых устройствах после достижения некоторого порогового значения перепада давления DR_о расход воздуха сохраняется постоянным (кривая 1).

В Западной Европе регулируемая вентиляция многоэтажных жилых домов получила широкое распространение. Одним из первых разработчиков и лидером этой технологии является французская фирма «Альдес». Разработан параметрический ряд приточных и вытяжных регулируемых клапанов, основанных на конструктивных схемах Б и В.

Приточные клапаны встраиваются в створку окна, а вытяжные устанавливаются в отводящих каналах вентиляции кухни, ванны, туалетной комнаты.

Для обеспечения устойчивой работы системы вентиляции и гарантированного достижения порогового значения перепада давления воздуха внутри квартиры и снаружи, вытяжная вентиляция устраивается механической с установкой вентилятора на один или группу стволов воздуховодов.

Приточные клапаны фирмы «Альдес» состоят из двух основных элементов, которые легко встраиваются в прорезь створки окна с наружной и внутренней сторон. Помимо своей основной функции — подачи наружного воздуха, приточные клапаны позволяют погасить наружный шум и очистить воздух от пыли. Вытяжные клапаны «Альдес» конструктивно соответствуют размерам и сечению вытяжных воздуховодов, в которые они встраиваются. Методика подбора оборудования и расчета данной системы вентиляции достаточно проста, поскольку отпадает необходимость учитывать ветровые и гравитационные нагрузки.

На первом этапе определяется потребный воздухообмен в каждой квартире — либо по нормативам воздухоудаления из туалетов, ванных комнат, кухонь, либо по количеству наружного воздуха на обитателей квартир.

На втором этапе подбирается количество приточных клапанов по их номинальной пропускной способности, и далее они распределяются по створкам окон. Приточные клапаны, как правило, не ставятся в помещения, из которых осуществляется вытяжка (кухня, ванная комната, постирочная). Благодаря этому правилу исключается вероятность перетекания загрязненного воздуха в соседние помещения.

Межкомнатные двери не должны быть герметичными, чтобы не препятствовать организованному воздухораспределению. Как правило, достаточно устроить подрез в нижней части двери размером 10—15 мм или иметь в конструкции двери переточную решетку живым сечением порядка 100—150 см².

Вытяжные клапаны устанавливаются во всех помещениях, из которых удаляется воздух.

В спальнях, гостиных, детских, холлах, как правило, вытяжка воздуха не устраивается.

На следующем этапе конструируется сеть вытяжных воздуховодов, проводится ее аэродинамический расчет, подбираются вентиляторы.

Благодаря стабильным аэродинамическим характеристикам приточных и вытяжных клапанов вся система вентиляции работает устойчиво практически круглый год вне зависимости от погодных условий.

Приточные и вытяжные клапаны, как правило, постоянно находятся в открытом положении.

Дополнительная экономия тепловой энергии на нагрев вентиляционного воздуха может быть достигнута при индивидуальном регулировании производительности приточных клапанов. Клапаны снабжаются поворотной шиберующей пластиной, позволяющей уменьшить расход воздуха в отдельном помещении или во всей квартире.

Регулирование шиберующей пластиной изменяет расход воздуха через клапан, но сохраняет характеристики независимости воздухопроизводительности от перепада давления воздуха.

Возможность индивидуального регулирования воздухообмена в зависимости от режима эксплуатации квартиры дает ощутимую экономию (20—30 %) тепловой энергии на нагрев вентиляционного воздуха.

В многоэтажных жилых зданиях с учетом одновременности изменения воздухообмена в отдельных квартирах общая характеристика сети сохраняется устойчивой и вероятные отклонения воздухообмена от среднего значения не превышают 10—15 %.

Особый режим вентиляции предусматривается для помещения кухни. При приготовлении пищи в работу включается надплитный зонт, оборудованный высокопроизводительным многоскоростным вентилятором. Воздухопроизводительность современных надплитных зонтов достигает 600—1 000 м³/ч, что во много раз превышает показатель расчетного воздухообмена в квартире.

Для удаления воздуха от надплитных зонтов, как правило, предусматриваются отдельные воздуховоды, не связанные с системой общеобменной вытяжной вентиляции из кухни.

Постоянно работающая система вентиляции квартир с использованием приточных клапанов, встроенных в створки окон или наружные стены, при низких температурах наружного воздуха может привести к тепловому дискомфорту, связанному с неравномерным распределением температуры и скорости движения воздуха в помещениях.

Специалисты Западной Европы ограничивают эффективную область применения таких систем вентиляции районами с температурой наружного воздуха не ниже –10 °С.

Конечно, существует такой способ вентиляции, как проветривание, предполагающий кратковременное периодическое открывание форточек или откидных фрамуг. На период проветривания, как правило, жильцы покидают помещение. Периодичность проветривания, его продолжительность определяются субъективно, однако такой способ вентиляции доставляет определенные неудобства и признать его комфортным нельзя.

В Северной Европе, в Скандинавии получили распространение системы вентиляции многоэтажных жилых домов с подогревом приточного воздуха с помощью теплоутилизаторов за счет теплоты вытяжного воздуха.

Теплоутилизаторы в системах вентиляции получили развитие в 1970-е годы в период энергетического кризиса.

В настоящее время широко применяются теплоутилизаторы нескольких типов:

- рекуперативные — на базе пластинчатых воздухо-воздушных теплообменников;

- регенеративные — с вращающейся теплоаккумулирующей насадкой;

- с промежуточным теплоносителем с теплообменниками «жидкость — воздух».

По своему исполнению в многоэтажных жилых домах теплоутилизаторы могут быть центральными на весь дом (или группу квартир) и индивидуальными (поквартирными).

При сходных массогабаритных показателях наибольшей энергетической эффективностью обладают регенеративные теплоутилизаторы (80—95 %), далее следуют рекуперативные (65—75 %) и на последнем месте теплоутилизаторы с промежуточным теплоносителем (45—55 %).

Рекуперативные теплоутилизаторы, как правило, включают в себя два вентилятора — приточный и вытяжной, пластинчатый теплообменник, фильтры (рис. 3).

Рисунок 3. Конструкция рекуперативного теплоутилизатора 1 — теплообменник; 2 — вентиляторы; 3 — фильтры; 4 — воздухонагреватели

В современных конструкциях в теплоутилизатор встраиваются два водяных или электрических подогревателя. Один служит для защиты от замораживания вытяжного тракта теплообменника, второй — для догрева температуры приточного воздуха до заданного значения.

Системы вентиляции с теплоутилизаторами обладают рядом достоинств, к числу которых следует отнести:

- существенную экономию тепловой энергии, расходуемой на нагрев вентиляционного воздуха — от 50 до 90 % в зависимости от типа применяемого утилизатора;

- высокий уровень воздушно-тепловой комфортности, обусловленный аэродинамической устойчивостью системы вентиляции и сбалансированностью расходов приточного и вытяжного воздуха;

- возможность гибкого регулирования воздушно-теплового режима в зависимости от режима эксплуатации квартиры, в т. ч. с использованием рециркуляционного воздуха;

- возможность защиты от городского, внешнего шума при использовании герметичных светопрозрачных ограждений;

- возможность очистки приточного воздуха с помощью высокоэффективных фильтров;

- возможность поддержания оптимальной влажности воздуха в квартире при использовании регенеративных теплоутилизаторов.

Реализация указанных достоинств связана с решением следующих проблем:

- необходимо предусмотреть соответствующие объемно-планировочные решения квартиры и выделить место для размещения теплоутилизаторов и дополнительных воздуховодов;

- следует предусмотреть защиту от замораживания теплоутилизаторов при низких температурах наружного воздуха (–10 °С и ниже);

- утилизаторы должны быть малошумными и при необходимости оборудованы дополнительными шумоглушителями;

- необходимо обеспечить квалифицированное техническое обслуживание теплоутилизаторов (замена или чистка фильтров, промывка теплообменника).

В современных системах вентиляции с утилизаторами теплоты указанные проблемы решаются, но, соответственно, капитальные затраты в этих системах по сравнению с традиционными выше.

Для стран Северной Европы применение механических приточно-вытяжных систем с утилизацией теплоты вытяжного воздуха уже вошло в практику. В нашей стране пока еще реализуются только пилотные проекты, в числе которых следует отметить 18-этажный 264-квартирный дом по Красностуденческому проезду в Москве, где каждая квартира оборудована рекуперативным теплоутилизатором.

Авторы статьи подготовили к изданию книгу, посвященную проблемам вентиляции жилых многоэтажных зданий, которая в скором времени выйдет в свет в рамках серии «Библиотека НП ”АВОК”».

Тел. (095) 482-38-10