Воздушный режим высотного жилого здания в течение года

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)

Высотное здание представляет собой сложную аэродинамическую сеть, воздушные потоки в которой движутся по внутренним аэродинамическим трактам, определяемым объемно-планировочным решением здания, воздухопроницаемостью элементов тракта и температурами наружного и внутреннего воздуха, а также направлением и скоростью ветра.

Результаты расчетов воздушного режима жилых зданий, представленные в статье, получены с помощью компьютерной программы, разработанной на кафедре отопления и вентиляции МГСУ.

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.

Рисунок 2. (подробнее) Схема плана 1-го этажа

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.

Рисунок 3. (подробнее) Схема плана типового этажа

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 t_н = –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 t_н = 28,5 °С и отсутствии ветра. Температура внутреннего воздуха принималась равной t_в = 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

Номер этажа Общая вытяжка из квартир, кг/ч Приток через, кг/ч приточный клапан входную дверь окна Сопротивление воздухопроницанию квартирных дверей Rи = 0,3 м2.ч/кг при разности давлений ∆Р = 10 Па 4 156,2 27,1×3 = 81,3 45,5 29,4 6 176,2 26,0×3 = 78,0 46,8 51,4 11 170,4 24,4×3 = 73,2 49,4 47,3 16 164,0 22,8×3 = 68,4 49,9 45,7 21 141,9 20,2×3 = 60,6 44,4 36,9 26 122,5 17,7×3 = 53,1 38,4 31,0 30 104,1 15,2×3 = 45,6 33,2 25,3 34 89,7 12,5×3 = 37,5 32,0 20,2 Сопротивление воздухопроницанию квартирных дверей Rи = 0,3 м2.ч/кг при разности давлений ∆Р = 10 Па 4 134,8 28,3×3 = 84,9 19,0 30,9 6 154,2 27,2×3 = 81,6 18,8 53,8 11 145,9 25,5×3 = 76,5 18,8 50,6 16 136,7 23,7×3 = 71,1 18,0 47,6 21 118,7 21,2×3 = 63,6 15,9 39,2 26 101,9 18,5×3 = 55,5 13,6 32,8 30 85,8 15,8×3 = 47,4 11,4 27,0 34 68,3 12,8×3 = 38,4 9,5 20,4

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 R_и = 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 R_и = 1,0 м².ч/кг и сопротивлении воздухопроницанию квартирных дверей R_и = 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 R_и = 2,0 м²•ч/кг, сопротивление воздухопроницанию квартирных дверей R_и = 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 R_и = 1,5 м²•ч/кг до R_и = 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 R_и = 0,7 м²•ч/кг до R_и = 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 R_и = 1 м²•ч/кг до R_и = 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 R_и = 0,7 м²•ч/кг до R_и = 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 R_и = 1,296 м²•ч/кг;

- для здания 170 м R_и = 1,616 м²•ч/кг;

- для здания 220 м R_и = 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 R_и = 3,0 м²•ч/кг, в зданиях от 75 до 150 м — не менее R_и = 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 R_и = 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.