Расчет воздушного режима многоэтажных зданий с различной температурой воздуха в помещениях

Е. Г. Малявина, профессор, канд. техн. наук

С. В. Бирюков, доцент, канд. техн. наук, Московский государственный строительный университет

Методика расчета воздушного режима здания с одинаковой температурой помещений (в дальнейшем – методика 1) разрабатывалась для численной оценки инфильтрационных расходов воздуха через окна здания, а затем использовалась для анализа работы вытяжных вентиляционных систем различных зданий в течение года [1, 2, 3, 4]. В большинстве сооружений температура воздуха помещений незначительно отличается одна от другой. Ее можно в этих задачах считать одинаковой, а следовательно, гравитационные составляющие внутреннего и наружного давления на какой-либо высоте от земли зависят только от высоты столбов холодного наружного и теплого внутреннего воздуха. Высота столба воздуха отсчитывается от уровня условного нуля до центра рассматриваемого помещения. За условный ноль по предложению В. П. Титова принимается уровень наиболее удаленного от поверхности земли элемента здания на подветренной стороне, через который возможно движение воздуха (верхнее окно подветренного фасада, вытяжную шахту на кровле).

Традиционная методика расчета воздушного режима зданий с одинаковой температурой воздуха в помещениях предполагает вычитание избыточного гравитационного давления внутреннего воздуха из избыточного давления наружного воздуха на каждом горизонтальном уровне. Эта разность считается наружным граничным условием для расчета воздушного режима здания. За счет выноса за пределы здания гравитационной составляющей давления во внутреннем воздухе достигается постоянство давления воздуха в каждом помещении по его высоте.

Основным отличием постановки задачи о воздушном режиме здания с различной температурой воздуха помещений (методика 2) является задание собственных избыточных давлений в каждой точке. При расчете по методике 2 вынос гравитационной составляющей внутреннего воздуха невозможен, т. к. температура внутреннего воздуха в разных помещениях может быть различна. В качестве примера на рис. 1 показаны распределения давлений по высоте семиэтажного жилого здания с одинаковой температурой в помещениях, равной t_в = 20 °С, при температуре наружного воздуха t_н = –28 °С и безветрии в координатах методик 1 и 2.

Рисунок 1. Избыточное наружное и внутреннее давление в однотипных помещениях по высоте здания, представленное в координатах двух методик: 1 – внутреннее давление по методике 1; 2 – наружное давление по методике 1; 3 – внутреннее давление по методике 2; 4 – наружное давление по методике 2

Гравитационное давление внутреннего воздуха необходимо определять с учетом различной плотности воздуха в вышележащих точках [5]. Поскольку разные помещения связаны с атмосферой разными вертикальными аэродинамическими трактами, то и гравитационное избыточное давление на одном горизонтальном уровне может быть различным. Двигаясь по аэродинамическим связям, воздух с различной температурой смешивается, и таким образом формируется распределение температуры и давления по зданию.

Процесс расчета воздушного режима здания является итерационным со множеством взаимовлияющих переменных: температурой, давлением и расходом воздуха в различных элементах здания и вентиляционной сети, аэродинамическими сопротивлениями тройников систем вентиляции, зависящими от соотношения расходов воздуха. Поэтому необходимо применять различные вспомогательные мероприятия для улучшения сходимости процесса расчета.

Целью данной статьи является показ возможности применения предложенной методики 2 в практике расчетов дымоудаления при пожаре в многоэтажных зданиях, например, для выявления разности давлений на закрытых дверях или для проверки правильности направлений движения дыма и приточного воздуха при выбранных расходах дымоудаления и притока наружного воздуха. Был выполнен расчет воздушного режима семиэтажного жилого дома, в котором в квартире на нижнем типовом втором этаже происходит пожар. Здание в семь этажей принято в качестве первоначального отладочного варианта.

При пожаре в квартире выделяется 12 800 кг/ч дыма с температурой 400 °С. Через клапан дымоудаления, находящийся в общем приквартирном холле, удаляется 12 800 кг/ч смеси дыма с воздухом. В лестничную клетку 2-го типа подается 12 160 кг/ч воздуха, температура которого в соответствии с нормами принята средней между наружной t_н = –28 °С и внутренней t_в = 20 °С, т. е. равной t_пр = –4 °С. Двери на пути эвакуации людей из горящей квартиры открыты. Таким образом, открытыми являются двери самой квартиры, приквартирного холла, лестничной клетки на этаже пожара и на первом этаже, а также входные двери в здание. Все остальные двери дома закрыты. Расчетный план этажа показан на рис. 2.

Рисунок 2 (подробнее)   План 2 этажа с нанесенными направлениями потоков воздуха и температурой. Расчет выполнен в режиме установившегося пожара при закрытых плотных квартирных дверях (кроме квартиры с пожаром) и открытыми дверями на пути эвакуации. Очаг возгорания находится в односторонней двухкомнатной квартире

В расчете были приняты двери с сопротивлением воздухопроницанию при разности давлений Dр = 10 Па, равным: в лестничную клетку 0,16 м² • ч/кг, в приквартирный холл 0,16 м² • ч/кг, в квартиру 0,3 м² • ч/кг. Перепады давлений на закрытых дверях лестничной клетки, входов в квартиры и приквартирных холлов до пожара и при пожаре приведены в таблице. Согласно нормам разность давлений по обе стороны двери на путях эвакуации во время пожара не должна превышать 150 Па. Этот важный момент, к сожалению, трудно просчитать при ручном счете.

Рисунок 3 (подробнее)   Графики изменения температуры удаляемого воздуха и суммы расходов воздуха по квартире через вытяжные решетки систем естественной вентиляции: а) изменение температуры удаляемого воздуха по стволу систем вентиляции; б) поэтажные расходы удаляемого воздуха через решетки во время пожара; ВЕ-1 – система естественной вентиляции в квартире с очагом пожара; ВЕ-3 – система естественной вентиляции в квартире без пожара

Как уже известно, большим недостатком лестничных клеток 2-го типа является невозможность соблюсти в пределах нормы разность давлений на дверях, что подтвердили наши расчеты. Большая разность давлений на дверях объясняется тем, что выделяющийся расход дыма компенсирован вытяжкой через клапан дымоудаления, а расход приточного наружного воздуха, подаваемого в лестничную клетку, ничем не компенсирован и создает повышенное давление на пути своего распространения. Но по факту пожар, особенно в начале, может не достигать расчетной мощности, и тогда через клапан дымоудаления будет уходить часть приточного воздуха, что резко скажется на величине давления. Кроме того, при таких значительных давлениях начинает играть роль воздухопроницаемость стен, что здесь не учитывалось. И еще один фактор: в семиэтажных зданиях не предусматривается ни система дымоудаления, ни лестничные клетки 2-го типа. При включенных системах дымоудаления и притока наружного воздуха в семиэтажном здании давления, создаваемые подпором в лестничную клетку 2-го типа, слишком велики. В зданиях большей этажности давления, конечно, будут меньше, т. к. тот же расход воздуха растечется по большему числу этажей. Поэтому представленные в таблице величины разности давления на дверях можно рассматривать как некий идеализированный случай.

Выводы

Исходя из полученных результатов расчетов, можно сделать выводы:

1. Пожар в здании существенно изменяет картину распределения потоков воздуха в здании. Самое большое влияние оказывает противопожарная вентиляция.

2. Отсутствие системы дымоудаления приводит к быстрому распространению нагретого воздуха и дыма по зданию, что оставляет для эвакуации людей мало времени (в семиэтажном здании система дымоудаления не устраивается).

3. Система естественной вентиляции, расположенная в непосредственной близости от очага пожара, частично берет на себя функцию дымоудаления и пропускает через свой ствол воздух с достаточно высокой температурой, несмотря на попутное смешение с воздухом из вышестоящих этажей.

4. Существующая специальная автоматика для временного снижения давления в лестничной клетке, позволяющая открыть дверь в саму лестничную клетку, может оказаться недостаточной, т. к. повышенные разности давлений наблюдаются не только на этих дверях, но и на выходах из квартир.

5. На полученные значения температуры в разных частях здания можно опираться только условно, т. к. при расчете не учитывались теплопроводность и теплоемкость ограждающих конструкций и позонное разделение воздуха на этаже по высоте.

6. Разработанная программа расчета воздушного режима зданий с различной температурой воздуха в помещениях может быть полезна для расчета разности давлений на дверях, проверки правильности расположения клапанов дымоудаления и других аспектов противопожарной вентиляции.

Литература

1. Титов В. П. Методика аналитического расчета неорганизованного воздухообмена в зданиях // Экономия энергии в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха: Сб. трудов МИСИ. – М., 1985.

2. Константинова В. Е. Воздушно-тепловой режим в жилых зданиях повышенной этажности. – М. : Стройиздат, 1961.

3. Китайцева Е. Х. Алгоритм решения задач воздушного режима много-этажных зданий // Проблемы математики и прикладной геометрии в строительстве: Сб. трудов МИСИ. – М., 1982.

4. Малявина Е. Г., Бирюков С. В., Дианов С. Н. Учет влияния воздушного режима здания на работу системы вентиляции жилых зданий // АВОК. – 2003. – № 6.

5. Малявина Е. Г. Постановка задачи о воздушном режиме здания с различной температурой в помещениях // Материалы Международной научно-технической конференции «Теоретические основы теплогазо-снабжения и вентиляции». 23–25 ноября 2005. – М, 2005.