Системы естественно-механической вентиляции в жилых зданиях с теплыми чердаками

М. А. Малахов, главный инженер проектов, Моспроект-2

Общие положения

В массовом жилом строительстве по типовым и индивидуальным проектам предусматриваются теплые чердаки, которые появились первоначально как холодные для контроля за состоянием чердачного покрытия, а затем по предложению М. М. Грузинского (в 1976 году) были приспособлены в качестве сборной камеры для естественной вентиляции и стали «теплыми» за счет вытяжного воздуха из квартир.

В МНИИТЭПе были разработаны основные рекомендации для проектирования таких систем, проведены исследования и получены удовлетворительные результаты их работы в расчетных условиях до t_нар. = 5 °С для 17-этажных типовых зданий. Однако было отмечено недостаточное разрежение на верхних трех этажах для нормативного воздухообмена и внесено предложение на вытяжных «спутниках» этих этажей устанавливать индивидуальные вентиляторы, но это практически не выполняется.

В рекомендациях АВОК [1] приведен пример подробного расчета системы естественной вентиляции секции 17-этажного жилого дома с применением индустриальных вентиляционных блоков с одним сборным каналом и двумя спутниками (один для кухонь, второй для ванной и санузла). При сечении общего сборного канала 0,192 м² скорость на выходе из оголовка в чердак равна 2,7 м/с при расходе воздуха 110 м³/ч на квартиру х 17 этажей = 1 870 м³/ч.

При четырех квартирах на этаже суммарный расход вытяжного воздуха на одну секцию равен 7 480 м³/ч.

В связи с новыми требованиями (МГСН 3.01–01 «Жилые здания») сборные воздуховоды для кухонь и санузлов следует проектировать раздельными, т. е. ставить по два блока на квартиру. Таким образом, при тех же размерах вентиляционных блоков расход на один сборный канал уменьшается вдвое, что дает возможность повысить этажность здания также вдвое при скорости на оголовке около 3,0 м/с.

Согласно расчетам [1] общие потери давления от приточного клапана до устья вытяжной шахты на кровле равны около 20 Па (для 17 этажей), в том числе до сборного канала с наружным клапаном ~11 Па. Для 34 этажей общие потери составят около 40 Па при располагаемом давлении на первом этаже ~66 Па. При этом увеличится неравномерность в располагаемых давлениях и, соответственно, в расходах воздуха для нижних и верхних этажей, особенно при низкой наружной температуре.

Рисунок 1. Перспектива строящегося жилого дома по адресу: Мичуринский пр-т, квартал 5–6, корпус 4

Для уменьшения неравномерности в распределении условий по этажам необходима монтажная регулировка вытяжных клапанов на всех этажах, включая верхние. Но для этого требуется создать разрежение на теплом чердаке около 10 Па.

Наличие теплого чердака позволяет применить дополнительные механические побудители к естественному давлению, которые позволяют сохранить принцип естественной вентиляции и включаться в работу при неблагоприятных условиях.

К таким условиям относится не только уменьшение располагаемого давления при повышении наружной температуры, но и архитектурно-объемные особенности здания, состоящего из нескольких секций различной этажности.

Пример такого здания показан на рис. 1, 2. Здание состоит из 10 секций с чередованием этажности: 17-19-21-24-20-16-21-26-22-20. Такой дом строится в квартале 5–6 по Мичуринскому проспекту (Моспроект-2, Мастерская-11, С. А. Арендарук, архитектор Н. В. Емцов; инженеры по отоплению и вентиляции: А. Е. Савенков, А. В. Медунов, Н. Г. Денисова).

Рисунок 2 (подробнее)   Разрез жилого дома (корпус 4)

Рисунок 3 (подробнее)   Расчетная схема эжекторной вытяжной установки

Таблица 1 Основные параметры дефлекторов «АС» (ООО «Вентстроймонтаж»)

№ п/п Показатели Диаметр дефлектора Д3, мм 800 900 1 000 1 250 1 Сечение шахты F3, м2 0,5 0,63 0,76 1,2 2 Расход воздуха, м3/ч (при Vq = 0,5Vв) 3 600 4 500 5 500 8 800 3 Скорость в стволе V3, м/с 2,0 2,0 2,0 2,0 4 Этажность здания при одном дефлекторе и 440 м3/ч на 1 этаж 9 11 13 20   То же – при двух дефлекторах (и двух вентблоках на квартиру) 18 22 26 – 5 Размер дефлектора, мм: – диаметр оголовка 1 620 1 820 2 020 2 520 – высота 2 050 2 300 2 560 3 200

При соблюдении основного правила естественной вентиляции – одна шахта на одну секцию, в этом здании неизбежно будет проявляться влияние более высоких секций на соседние.

Динамическое давление высокой секции будет создавать повышенное давление на кровле соседней секции, и в этой шахте будет обратное движение воздуха, т. е. опрокидывание тяги. Это влияние будет проявляться на расстоянии равном 1,5–2-кратному превышению высоты секции над низкой кровлей.

В таком здании необходима вытяжная система вентиляции с естественно-механическим побуждением. Такая система была ранее реализована в жилом доме по улице Профсоюзной, д. 91 (6 секций) и описана в [2].

В данной статье приводится описание некоторых аналогичных систем.

При этом сохраняется основная концепция вентиляции жилого дома по схеме и по воздухообменам в помещениях согласно [1]:

а) вытяжка естественно-механическая;

б) приток естественный через форточки, клапаны в окне или в стене, конструкции и характеристики которых приводились неоднократно в различных номерах журнала «АВОК»;

в) в качестве каналов рекомендуется использование индустриальных вентиляционных блоков с общим сборным каналом и спутниками; такие блоки теперь выпускаются промышленно для разных высот этажей: Н = 2,8–3,0–3,3 м (тип БВ-49–4 Н = 3,3 м);

г) на входе спутников (в кухнях, ванных, санузлах) следует устанавливать регулируемые, с возможностью полного закрытия, вытяжные диффузоры, например, типа ДПУ-М («Арктос», РФ) диаметром Ф 125 мм. Этот элемент системы является важным, т. к. он доступен жильцам для регулирования вытяжки из квартир, особенно при повышенном разрежении в сборном канале вентиляционного блока с помощью естественно-механических вытяжных вентиляционных установок.

В комбинированных системах объединяются механическая вентиляция с гравитационной (естественной), что позволяет при одной вытяжной шахте в каждой секции дома обеспечить естественную вентиляцию при неработающем вентиляторе, а также интенсифицировать ее при пуске вентилятора. Известно решение [3] с дефлектором новой конструкции и с оригинальным вентилятором в верхней его части, названным «стато-динамическим» дефлектором.

Дефлектор без вентилятора «статический» в настоящее время выпускает ООО «Вентстроймонтаж» под типом «АС». Похожие комбинированные системы вентиляции были приведены на семинаре Х Международной специализированной выставки SHK Moscow-2006 под названием «гибридной» вентиляции.

Имеется интересная вентиляционная установка в виде «интегрированного дефлектора» с внутренним патрубком и вентилятором крышного типа сверху, предлагаемого фирмой «UNIVERSAL» (Польша) (рис. 11) [4].

В этой конструкции происходит дополнительная эжекция воздуха из объема теплого чердака при работающем вентиляторе, и при отключении его обеспечивается естественная вытяжка за счет гравитационного давления и ветрового с помощью дефлектора.

В вентиляционной установке эжекторного типа (рис. 3) на общей вытяжной шахте секции дома имеется дефлектор типа «AC» для использования давления ветра и защиты шахты от осадков. Внутри шахты (в стволе дефлектора) установлен патрубок (эжектор низкого давления) с осевым вентилятором. В патрубке сделана крестообразная перегородка – выпрямитель потока воздуха после осевого вентилятора для уменьшения потерь в камере смешения, которой является сама шахта.

Основными параметрами при подборе элементов установки являются:

– общий расход воздуха на шахту L₃;

– диаметр дефлектора D₃, мм; его сечение F₃, м²; скорость в стволе V₃, м/с;

– расход эжектируемого воздуха при работе вентилятора L₂;

– расход эжектирующего воздуха (производительность вентилятора) L₁, м³/ч;

– диаметр патрубка-эжектора D₁, его сечение, скорость на выходе в камеру смешения (м/с), длина патрубка l₁ внутри ствола и расстояние от его среза до устья шахты;

– производительность и напор осевого вентилятора.

Рисунок 4 (подробнее)   Принципиальная схема вентиляции квартир жилого дома (вентиляционная камера с одним дефлектором)

Рисунок 5 (подробнее)   Принципиальная схема вентиляции квартир жилого дома (вентиляционная камера с двумя дефлекторами)

Для примера определены указанные параметры для 17-этажного дома с расходом на шахту (секцию) – 7 500 м³/ч.

Автором предлагается использовать упрощенную схему эжекторной установки низкого давления (рис. 3), в которой смесительной камерой является вытяжная цилиндрическая шахта (ствол дефлектора) постоянного сечения, без переходов от приемной камеры к смесительной и устройства диффузора на выходе, как при классической конфигурации струйных аппаратов – эжекторов, в которых используются центробежные вентиляторы давлением до 2 500 Па.

Такое допущение основано на отсутствии всасывающей и напорной сетей в вытяжной системе и низкого требуемого разрежения в эжекторе.

1. Расход воздуха на секцию 17-этажного дома принимается нормативным:

60 (кухня) + 25 (санузел) + 25 (ванна) = 110 м³/ч на квартиру; при 4 квартирах на этаже – общий расход воздуха равен G = 440 х 17 = 7 500 м³/ч.

2. Диаметр вытяжной шахты D₃ (ствола дефлектора) принимается согласно рекомендации по подбору дефлекторов с целью использования действия ветра в режиме естественной вентиляции.

Для дефлекторов типа ЦАГИ с диффузором данные А. Я. Мозгова по расходу воздуха под действием ветра при установке без воздуховодов даны [6] при скорости (V_д = 0,5V_в) в патрубке (стволе), равной V_д = 2,0 м/с при скорости ветра V_в = 4,0 м/с, и для цилиндрического дефлектора V_д = 1,7 м/с при той же скорости V_в ветра.

Рисунок 6 (подробнее)   План вентиляционной камеры с одним дефлектором

Рисунок 7 (подробнее)   Разрез 1-1 к рис. 6

В данных ООО «Вентстроймонтаж» для дефлекторов «АС» расходы воздуха указаны при скорости V_д = 2,8–2,9 м/с (V_д = 0,7V_в).

Следует заметить, что при подборе эжекторов, принимая а во внимание расход воздуха и при определении разрежения при этом расходе, необходимо пользоваться характеристиками дефлекторов, построенным по данным испытания в аэродинамической трубе [4].

Так, при указанных расходах воздуха и при показателе V_д / V_в = 2,0 / 4,0 = 0,5 для дефлекторов ЦАГИ коэффициент использования динамического давления будет равен Р_д/Р_в = 0,1. Максимальное значение этого показателя равно С = 0,55 от Р_в и в типе «АС» С = 0,75Р_в при нулевом расходе, т. е. при закрытой заслонке в патрубке.

Исходя из этого, нельзя пользоваться коэффициентом С (КПД) дефлектора без учета расхода воздуха, т. к. разрежение, возникающее в патрубке (у горловины), указывает величину преодолеваемых им потерь давления при данном расходе по сети до горловины.

Тогда при скорости ветра V_в = 4,0 м/с (средняя за отопительный период для Москвы) и динамическом напоре:

(1)

разрежение в патрубке будет около 1,0 Па при расходе V_д = 0,5V_в. Для дефлекторов типа «АС» приводится показатель максимальный С = 0,75 и при скорости в патрубке V_д / V_в = 0,7 разрежение в патрубке будет также около 1,0 (при наложении параллельной характеристики на графики ЦАГИ) [4].

Потери в самом дефлекторе (в оголовке) в естественном режиме вентиляции в расчет не принимаются, т. к. они учтены в КПД дефлектора.

В эжекторных системах в режиме механической вытяжки сопротивление дефлектора следует учитывать в виде потерь динамического напора на выходе из устья ствола при скорости V₃ и коэффициенте местного сопротивления z = 1,0 для ЦАГИ и z = 2,0 для «АС». Эти потери учитываются в общих потерях эжекторной установки, которые должен преодолеть вентилятор.

Для примера согласно расчетной схеме (рис. 3) принимаем скорость в шахте (стволе дефлектора) V₃ ≈ 0,5 х 4 = 2,0 м/с. Тогда для расхода на секцию L₃ = 7 500 м³/ч можно принять дефлектор Д₃ = 1 250 мм при скорости V₃ = 1,7 м/с и показателе V₃ / V_в = 1,7 / 4 = 0,425, при котором показатель использования давления ветра будет равен 0,2 для дефлектора ЦАГИ и около 0,4 для «АС».

Однако дефлекторы Д₃ = 1 250 мм имеют большие размеры и трудоемки в изготовлении, транспортировке и монтаже. Можно установить два дефлектора Д₃ = 800 мм с одним общим вентилятором. Такая компоновка венткамеры показана на рис. 5. На доме по улице Профсоюзной, 91 в процессе строительства была сделана замена Д₃ = 1 250 мм на два Д₃ = 800 мм. На крупных зданиях с большим расходом воздуха установка Д₃ = 1 250 мм не исключается.

Для принятого диаметра дефлектора надо подобрать диаметр патрубка – Д₁ для подачи первичного (рабочего) воздуха и сопла эжектора d₁. Для этого согласно рекомендациям по эжекторам низкого давления принимается коэффициент подмешивания (эжекции):

(2)

Оптимальным отношением скоростей подсасываемого (вторичного) потока V₂ в приемной камере (рис. 3, позиция 7) к скорости смешанного потока в смесительной камере V₃ принимается n = V₂ / V₃ = 0,4.

Рисунок 8 (подробнее)   План вентиляционной камеры с двумя дефлекторами

Исходя из этого соотношения, скорость в приемной камере кольцевого сечения для нашего примера V₂ = 0,4 х 2 = 0,8 м/с. При заданном диаметре ствола Д₃ = 800 мм и его сечении F₃ = 0,5 м² необходимое кольцевое сечение приемной камеры F₂^К при V₂ = 0,8 м/с и расходе

(3)

равно F₂^К = 1 030 / 0,8 х 3 600 = 0,36 м².

Теперь при заданном сечении ствола F₃ и расчетном сечении F₂^К определяется сечение и диаметр внутреннего патрубка первичного воздуха исходя из равных диаметров ствола (шахты) Д₃ и приемной камеры Д₂ – для простоты изготовления. При других значениях коэффициентов эжекции b > 0,4...1,0 и, соответственно, больших расходах эжектируемого воздуха L₂ и сохранении оптимального соотношения V₂ / V_№ = 0,4, диаметр приемной камеры (рис. 3, позиция 7) будет Д₂ > Д₃ и появится переход на уровне сопла, что будет больше соответствовать правилам построения эжекторов низкого давления. По сечению F₂^К = 0,36 м² определяется сечение патрубка первичного воздуха F_П = F₃ – F₂^К = 0,5 – 0,36 = 0,14 м² и его диаметр:

(4)

Д₁ проверяется на приемлемую скорость около 5–6 м/с и потери, которые учитываются при подборе вентилятора с довольно ограниченным выбором по давлению.

Рисунок 9 (подробнее)   Разрез А-А к рис. 8

Рисунок 10 (подробнее)   Разрез В-В к рис. 8

Рисунок 11 (подробнее)   Предложение по реконструкции вытяжных шахт в домах с теплыми чердаками (П-44 и др.)

Из-за ограниченного напора осевых вентиляторов до 200–250 Па коэффициент эжекции в вентиляционных установках принимается низким b = 0,4–0,5 при низком КПД.

При расположении эжекторов на покрытии и, следовательно, при малом сопротивлении нагнетательной части эжекторы могут быть без диффузора. Поэтому их расчет ведется по формулам для эжекторных систем аварийной вентиляции [7].

Запас энергии в струе первичного воздуха должен быть достаточным, чтобы преодолеть сопротивление во всасывающем DР_ВС и нагнетательном DР_{НАГ .} участках эжекторной установки, т. е. давление, создаваемое эжектором без диффузора, равно DР_{Б. ДИФ.} = DР_ВС + DР_{НАГ .}

Величина DР_ВС состоит из:

а) сопротивления оголовка на выходе из вентблока ~ DР_ОГ = 0,5 Па;

б) сопротивления шахты – ствола дефлектора: вторичный воздух G₂ эжектируется через кольцевое сечение F₂ между диаметром ствола дефлектора Д₃ и диаметром патрубка – эжектора Д₁.

При скорости в кольце V₂ = 0,4 х V₃ = 0,4 х 2,0 = 0,8 м/с, для которой

(5)

что при z = 2,0 для кольцевого сечения будет иметь сопротивление DР_К ≈ 1,0 Па и с учетом сопротивления на трение в кольцевом сечении длиной 1,5 м общее сопротивление кольца DР_К ≈ 2,0 Па. Сопротивление пластинчатых шумоглушителей в вентиляционной камере при скорости в них 1,5 м/с будет около DР_ГЛ = 2,0 Па. К суммарному сопротивлению в сети всасывания следует добавить дополнительное разрежение в объеме теплого чердака для улучшения вытяжки из верхних трех этажей, для которых естественное давление недостаточное на величину, согласно расчетам [1], равную 10 Па, тогда суммарное сопротивление на линии всасывания:

DР_ВС = DР_ОГ + DР_К + DР_ГЛ + DР_ДОП = 0,5 + 2,0 + 2 + 10 ≈ 15,0 Па.

Величина потерь на участке нагнетания:

– сопротивление на трение смесительной камеры DР_СМ = 1,0 Па;

– сопротивление оголовка дефлектора при скорости в стволе V₃ = 2,0 м/с,

DР_ДЕФ = 5,0 Па,

DР_НАГ = 1 + 5 = 6,0 Па;

– основными потерями в эжекторе являются потери на удар, связанные со смешением двух соосных потоков с разными начальными скоростями.

Потери на удар пропорциональны квадрату разности скоростей потоков в начале смешения и учитываются при определении динамического давления эжектирующей струи с помощью безразмерного коэффициента mопт.

Последовательность расчета эжектора низкого давления с соосным подводом эжектируемого воздуха приведена в табл. 2 для основных диаметров вытяжных шахт (стволов дефлекторов) Д₃ = 800, 900, 1 000, 1 250 мм. Расчеты выполнены по формулам, приведенным в справочнике для эжекторов аварийной вентиляции с соосным подводом эжектируемого воздуха [7].

Расчеты эжекторных установок выполнены при низком коэффициенте эжекции и умеренных скоростях потоков в стволе эжектора (2,0 м/с), в приемной камере V₂ = 0,8 м/с исходя, как отмечалось, исходя из ограничений по давлению осевых вентиляторов и в основном для сохранения условий естественной вентиляции при выключенном вентиляторе, учитывая комбинированный характер предложенной системы.

В табл. 3 приведены данные справочного характера некоторых известных автору типов осевых вентиляторов, хотя их количество значительно больше.

Таблица 2 (подробнее) Расчет эжекторных вытяжных вентиляционных установок низкого давления с дефлекторами

Таблица 3 Осевые вентиляторы для эжекторных комбинированных вытяжных систем

№ п/п Тип, изготовитель L, м3/ч Напор, Па N, кВт n, об/мин LW (дБ(А)) max 1 Осевые канальные, тип FE, фирмы «KORF» (РФ)           D = 400 2 500 – 3 000 125–100 0,27 / 380 1 300 73 D = 500 4 500 – 6 000 170–150 0,78 / 380 880 68 2 Тип MP 604 T, фирма «Vorticel» (Италия) 5 000 250 2,5 1 400 79 3 Тип D 400 фирмы «EBM» (Германия) 2 000 – 5 000 200–120 0,4 1 400 79

Из табл. 2 видно, что эжекторные системы ограничены по расходу воздуха до 10 000–11 000 м³/ч при установке двух дефлекторов на секцию применительно для жилых зданий до 30 этажей.

Для более высоких зданий и, соответственно, расходов воздуха можно использовать новые комбинированные установки, интегрированные дефлекторы с использованием высокопроизводительных крышных вентиляторов. Такая конструкция предлагается фирмой «UNIVERSAL» (Польша) и показана на рис. 12, 13 с характеристиками, заимствованными из каталога [5]. В каталоге представлены данные только по трем диаметрам крышных вентиляторов (160, 250, 315), интегрированных с дефлекторами, специально приспособленными для «гибридной» вентиляции, т. е. двух режимов – естественного и механического.

Производительность установки на рис. 12, 13 (тип DAS (K)-315) имеет трехскоростной двигатель n = 700–900–1 400 об/мин с подачей воздуха 1 440–1 800–3 600 м³/ч при давлении, соответственно, 95–170–300 Па.

Незначительная производительность типа 315 не может найти применение в высоких жилых зданиях.

Но сама принципиальная схема привлекает с целью ее реконструкции и приспособления для комбинированной «гибридной» вентиляции в рассматриваемом нами аспекте.

Рисунок 12 (подробнее)   Дефлектор интегрированный типа WZs

Рисунок 13 (подробнее)   Характеристики интегрированного дефлектора типа WZs

Заключение

В жилых многоэтажных зданиях следует применять естественно-механическую комбинированную вытяжную вентиляцию и естественный приток наружного воздуха через управляемые вручную устройства (клапаны и другие) в окнах или стенах.

Использовать индустриальные вентиляционные блоки с установкой на них регулируемых решеток или диффузоров (типа ДПУ-М 125 фирмы «АРКТОС» или др.).

Над вытяжными шахтами устанавливать дефлекторы типа «АС» фирмы ООО «Вентстроймонтаж».

Использовать простейшие эжекторные вентиляционные установки низкого давления с осевыми вентиляторами.

Реконструировать вытяжные шахты существующих жилых зданий с теплыми чердаками с использованием естественно-механических эжекторных устройств.

Литература

1. Технические рекомендации по организации воздухообмена в квартирах жилого дома. ТР АВОК–4–2004. – М., 2004.

2. Малахов М. А. Проект естественно-механической вентиляции жилого дома в Москве // АВОК. – 2003. – № 3.

3. Харитонов В. П. Естественная вентиляция с побуждением // АВОК. – 2006. – № 3.

4. Батурин В. В. Вентиляция. – М., 1959.

5. Каталог «UNIWERSAL» SP.ZO.O. Польша. 40-029. Katowice.

6. Щекин Р. В. [и др]. Справочник проектировщика по теплоснабжению и вентиляции в гражданском строительстве. – Киев, 1959.

7. Справочник проектировщика. Вентиляция и кондиционирование воздуха. – Изд. 3. – М., 1978.

8. Дроздов В. Ф. Вентиляция. – М., 1984.

9. Рысин С. А. Справочник. Вентиляционные установки машиностроительных заводов. – М., 1961.

10. Соколов Е. А., Зингер Н. М. Струйные аппараты. – М., 1970.