Гибридная вентиляция в многоэтажных жилых зданиях

И. И. Бобровицкий, ведущий инженер «ДСК-1»

Н. В. Шилкин, доцент МАрхИ

Гибридная вентиляция – вентиляция, в холодный и переходный периоды года работающая как естественная, за счет гравитационного и ветрового напора; в теплый период года побуждение движения воздуха обеспечивается механическими устройствами. Помимо термина «гибридная вентиляция» иногда используется термин «естественно-механическая вентиляция».

Известно, что естественная вентиляция в зданиях работает при наружных температурах ниже +5 °С. Гибридная вентиляция подразумевает использование естественной вытяжки при соответствующих значениях температуры наружного воздуха, то есть в холодный и переходный периоды года. Механические устройства для побуждения движения воздуха включаются в работу в периоды, когда относительно высокая температура наружного воздуха не позволяет обеспечить требуемый гравитационный напор. Эти механические устройства дают возможность нормализовать вытяжку в теплый период года. Кроме того, использование механического побуждения движения воздуха позволяет решить еще одну известную проблему, возникающую в многоэтажных зданиях с естественной вытяжной вентиляцией, – недостаточную вытяжку из квартир верхних этажей.

Специалистами неоднократно отмечалось, что переход от естественной к гибридной вентиляции является оправданным и полезным мероприятием, позволяющим нормализовать воздушный режим квартир при относительно небольших затратах и изменениях типового проекта. Применение гибридной вентиляции возможно как во вновь строящихся, так и в уже существующих зданиях.

Гибридная вентиляция может быть организована различными способами, наиболее распространенные из которых – использование осевых вентиляторов с лопастями специальной формы, не препятствующих работе естественной вытяжки, а также разного рода эжекционные системы. Ряд таких решений был описан в журнале «АВОК»^*.

Следует отметить, что гибридная вентиляция как способ организации воздухообмена помещений, основанный на совместном использовании в разные периоды года то естественной, то механической вентиляции, известна достаточно давно. В нашей стране еще в 1970-х годах в Московском научно-исследовательском и проектном институте типологии и экспериментального проектирования (МНИИТЭП) был разработан проект экспериментального жилого здания серии И–521 высотой 22 этажа, в котором предусматривалось совместное использование как естественной, так и механической вентиляции в зависимости от времени года. В холодный период года использовалась естественная вентиляция, организованная по принципу «теплого чердака»; в переходный и теплый периоды года использовалась механическая приточно-вытяжная вентиляция с утилизацией теплоты удаляемого воздуха для подогрева приточного. Естественная вытяжка осуществлялась посредством центральной вытяжной шахты, а механическая – посредством крышных вентиляторов. На центральной вытяжной шахте стояли клапаны, которые должны были переключаться автоматически по сигналам датчика температуры наружного воздуха одновременно с включением (выключением) крышного вентилятора.

Система работала следующим образом. Вытяжной воздух из квартир собирался в объеме «теплого чердака». В холодный период года вытяжка из «теплого чердака» осуществлялась посредством центральной вытяжной шахты через открытые клапаны. При повышении температуры наружного воздуха клапаны автоматически закрывались и одновременно включались в работу крышные вентиляторы. Схема организации вытяжной вентиляции приведена на рис. 1 (приточная установка и теплоутилизатор не показаны).

Проектом также предусматривалась рекуперация теплоты вытяжного воздуха для подогрева приточного посредством теплоутилизаторов с вращающейся теплообменной насадкой – роторных рекуператоров. Этот тип теплоутилизаторов обеспечивает наибольшую эффективность утилизации теплоты (до 80 %) из типов теплоутилизаторов, нашедших массовое применение.

Здание по рассмотренному проекту было построено в Москве, на проспекте Маршала Жукова. Однако эксперимент не был доведен до конца. Предусмотренный проектом роторный рекуператор не был даже смонтирован (в те годы отечественной промышленностью подобное оборудование не производилось, в проект был заложен рекуператор, производимый в Венгерской Народной Республике). Определенные претензии возникли и у органов пожарного надзора. В итоге здание вплоть до настоящего времени эксплуатируется исключительно с естественной вентиляцией.

На базе данного проекта был разработан проект многоэтажного жилого здания серии И-521А, который был привязан в Москве на улице Академика Янгеля, однако гибридная вентиляция в этом проекте не была реализована.

Неудачными оказались и более поздние попытки МНИИТЭП обеспечить нормативный воздухообмен в квартирах в любой период года за счет использования механической вентиляции в проектах жилых зданий серий И-580А и И-700А. Основная причина неудачи этих проектов – отсутствие организаций, эксплуатирующих механическую вентиляцию в жилых зданиях. В те годы уже существовала организация, осуществлявшая эксплуатацию систем механической вентиляции в высотных зданиях на Калининском проспекте, и предполагалась передача возводимых по рассматриваемому проекту зданий в эксплуатацию в эту же организацию, однако этого осуществить не удалось.

В результате системы механической вентиляции в зданиях, построенных по рассматриваемым проектам, никем не эксплуатировались. В двух десятках домов серии И-700А, построенных в Москве, вентиляторы просто не включались в работу. В дальнейшем при привязке этой серии в Управлении по проектированию жилищно-гражданского и коммунального строительства «Моспроект-1» проект был переработан: вместо механической была предусмотрена естественная вентиляция.

По-другому сложилась судьба зданий серий И-580А и И-700А в Зеленограде. Там с самого начала эксплуатация механической вентиляции была передана в ведение организаций, осуществляющих эксплуатацию промышленной вентиляции на предприятиях, расположенных в промзонах города. Эксплуатация выявила определенные проблемы. Так, например, оборудование оказалось достаточно шумным, в результате чего система превратилась, по сути, в вентиляцию периодического действия: она включается в работу по жалобам жильцов на низкое качество микроклимата в помещениях и отключается при жалобах на высокий уровень шума. Тем не менее, несмотря на все сложности и проблемы, механическая вентиляция в этих жилых зданиях работает и по сей день.

Рисунок 1. Схема организации механической и естественной вытяжной вентиляции в экспериментальном жилом здании серии И-521 (приточная установка и теплоутилизатор не показаны)

Другой причиной неудачи была попытка сохранить в данных проектах типовые вентблоки из сборного железобетона. При использовании этих вентблоков чрезвычайно сложно обеспечить достаточную герметичность конструкции. Не очень хорошая герметичность в целом не препятствует нормальной работе естественной вентиляции, однако при использовании механического побуждения за счет вентиляторов, обеспечивающих высокое разрежение, низкая герметичность приводит к колоссальным подсосам воздуха. В результате воздух попадает в воздуховод не через воздухозаборные решетки в квартирах, а через стыки. Представляется совершенно необходимым при использовании механического побуждения переходить на металлические герметичные воздуховоды, разумеется, при проведении комплекса мероприятий по противопожарной защите этих воздуховодов.

Особенно остро встал вопрос о необходимости использования механической вентиляции в многоэтажных жилых зданиях в связи с повышением требований по их энергетической эффективности.

Наружные ограждающие конструкции с повышенными теплозащитными характеристиками, герметичные стеклопакеты значительно снизили трансмиссионные теплопотери жилых зданий, однако при этом одновременно ухудшилась работа естественной вентиляции. Кроме того, с уменьшением трансмиссионных теплопотерь в общем тепловом балансе здания выросла доля теплопотерь на инфильтрацию и вентиляцию – расхода теплоты на подогрев наружного воздуха.

В МНИИТЭП был проведен эксперимент по реализации гибридной вентиляции в многоэтажных жилых зданиях серии П-44Т/1-17 производства «ДСК-1» в Москве в Очаково. В данном проекте был реконструирован типовой вентблок БВ-49, с тем чтобы вентиляция четырех верхних этажей осуществлялась за счет механического побуждения, а вентиляция остальных этажей – за счет естественного побуждения. Однако в ходе реализации проекта для получения расчетных расходов воздуха на воздухозаборных решетках верхних этажей производительность вытяжных вентиляторов пришлось увеличить вдвое против расчетной, все из-за тех же подсосов через неплотности стыков вентблоков. К сожалению, и этот эксперимент не был доведен до конца, в настоящее время оборудование в этих зданиях никем не эксплуатируется.

Был также проведен эксперимент в здании П-44Т/1-17 в Москве на Хорошевском шоссе. В ходе этого эксперимента над секционной вытяжной шахтой был установлен крышный вентилятор, однако уровень шума, возникающего при работе вентилятора, превышал допустимый, и от внедрения этого решения в массовое строительство пришлось отказаться. В проекте рассмотренного выше экспериментального жилого здания серии И-521, в котором также был запроектирован крышный вентилятор, проектировщики, памятуя о высоком уровне шума и необходимости защиты окружающей среды, предусмотрели заключение крышного вентилятора в шумоглушащую камеру.

Одной из первых работ проектно-конструкторского технологического управления (ПКТУ) ОАО «ДСК-1», организованного 2001 году, было «Предложение по устройству приточно-вытяжной механической вентиляции с рекуперацией теплоты вытяжного воздуха в домах серии П44Т/1-17».

В этой работе было показано, что капитальные затраты по устройству механической вентиляции в домах указанной серии могут окупиться за счет высвобождения дополнительных площадей, ранее занимаемых вентблоками (один вентблок занимает площадь примерно 0,5 м², что с учетом количества вентблоков в типовой секции, числа этажей и стоимости квадратного метра площади составляет достаточно существенную величину дополнительных средств, полученных за счет продажи высвобожденных площадей), и за счет уменьшения затрат тепловой энергии на отопление и вентиляцию. Оценка предполагаемого срока окупаемости показала, что он составит около двух лет, что позволяет отнести данное мероприятие к малозатратным.

Расчеты, выполненные в ходе данной работы, показали, что в здании серии П44Т/1-17 снижение затрат тепловой энергии за счет повышения теплозащиты наружных ограждающих конструкций снизило долю трансмиссионных теплопотерь в тепловом балансе одной секции до 42 %; расход тепловой энергии на подогрев наружного воздуха при этом сохранился, а доля его в общей структуре теплопотерь выросла до 55 %. Это показало, что дальнейшее повышение энергоэффективности за счет повышения теплозащиты наружных ограждающих конструкций нецелесообразно, оно возможно за счет утилизации теплоты вытяжного воздуха. Фактически утилизация теплоты вытяжного воздуха имеет место и в существующих в настоящее время зданиях с «теплым чердаком», однако КПД этой утилизации очень невелик (около 17 % в расчетном режиме) и может быть повышен только при применении механической вентиляции.

Воздухообмен одной секции здании серии П44Т/1-17 по вытяжке согласно СНиП 2.04.05-91 составляет Lвыт = 110 • 4 × × 17 = 7 480 м³/ч, где 110 – нормируемая вытяжка квартиры в м³/ч, 4 – число квартир на этаже, 17 – этажность здания. Согласно расчету, предусмотренный проектом теплоутилизатор позволяет утилизировать 77,4 кВт тепловой энергии и передать ее на нагрев приточного воздуха. Можно сопоставить эту величину с трансмиссионными теплопотерями через наружные стены секции, равными 49,175 кВт.

Здесь можно отметить, что, как сообщил В. И. Ливчак в своем докладе «Капитальный ремонт зданий. Проблемы гармонизации теплозащиты и теплопотребления» на симпозиуме в рамках выставки «Мир Климата–2010», на основании обследований систем отопления зданий строительства после 2000 года в декабре 2009 года и в январе 2010 года, ни утепление стен, ни применение энергоэффективных окон, ни установка термостатов на отопительных приборах не только не обеспечили энергосбережения, но даже привели к перерасходу теплоты. В частности, на домах серии П44Т/17 этот перерасход составил 40 %. Причина такого неожиданного явления состоит в том, что большой запас поверхности нагрева отопительных приборов позволил жильцам жить с открытыми окнами и тем самым обеспечить себе нормальную вентиляцию. Иными словами, недостаточная вентиляция квартир, обусловленная применением герметичных оконных блоков, заставила жильцов открывать окна для обеспечения притока, что стало возможным из-за завышения поверхности нагрева отопительных приборов, но привело к «сбросу» теплоты на улицу. Представляется, что, помимо очевидных мер по перенастройки узлов управления и т. д., решение проблемы «перетопов» должно быть решено и в области нормализации работы вентиляции: обеспечении гарантированного притока, регулировании воздухообмена «по потребности» (в зависимости от режима эксплуатации помещений), утилизации теплоты удаляемого воздуха. К сожалению, в настоящее время в практике массового жилищного строительства и капитального ремонта решению этих проблем уделяется мало внимания.

Рисунок 2. Схема размещения оборудования при организации приточно-вытяжной вентиляции с утилизацией теплоты вытяжного воздуха в жилом здании серии П44Т/1-17

В рассматриваемом проекте предполагалось устройства приточно-вытяжной механической вентиляции с рекуперацией теплоты вытяжного воздуха в домах серии П44Т/1-17, приточно-вытяжную установку с рекуператором разместить на чердаке здания, центральную вытяжную шахту и поддон под нее при этом ликвидировать, а поддержание температуры на уровне +15 °С обеспечивать системой отопления. Для подачи приточного воздуха в жилые комнаты квартир и вытяжки из санузлов и кухонь применяются воздуховоды из оцинкованной тонколистовой стали, прокладываемые по чердаку, далее вертикальными каналами из оцинкованной тонколистовой стали с обкладкой гипсокартоном для обеспечения нормативной огнестойкости, затем в подшивном потолке в коридорах квартир. Вентблоки БВ-49 при этом не используются.

Теплообмен между вытяжным и приточным воздухом осуществляется в пластинчатом рекуператоре при температуре наружного воздуха в пределах от –16,7 до +20 °С; при температурах наружного воздуха выше и ниже этого диапазона вытяжной и приточный воздух транспортируются в обход рекуператора.

Как выбросной, так и наружный воздух подвергаются очистке в секциях фильтров; догрев приточного воздуха после рекуператора осуществляется в секции нагрева. Работа рекуператора автоматизирована: переключение режимов работы происходит автоматически. Забор воздуха осуществляется сверху, выброс также вверху, на противоположный фасад для предотвращения загрязнения приточного воздуха. Для обеспечения требуемых уровней шума в квартирах при работе механической вентиляции на воздуховодах на чердаке устанавливаются трубчатые шумоглушители. Схема размещения оборудования приведена на рис. 2, 3.

Однако комбинат не мог пойти на удорожание строительства, так как снижение эксплуатационных расходов за счет снижения энергопотребления никоим образом не компенсирует повышения капитальных затрат (удорожание проекта). Здесь, как и во многих других случаях, выбор того или иного технического решения определяется тем обстоятельством, что капитальные затраты несет одна организация, а эксплуатационные расходы – совершенно другая. В связи с этим заказчику совершенно невыгодно вкладывать дополнительные средства в энергосбережение: он все равно не получит никакой прибыли за счет снижения расходов, поскольку эти расходы осуществляет уже совсем другая организация.

В свое время делались попытки материально стимулировать применение проектировщиками энергосберегающих решений в проектах. Представляется, что более важным было бы стимулирование заказчиков (домостроителей) по внедрению в проекты зданий энергосберегающих мероприятий.

Поскольку новое строительство составляет относительно небольшую долю от общего жилого фонда, находящегося в эксплуатации, огромный потенциал энергосбережения содержится в области реконструкции, модернизации и капитального ремонта существующего жилого фонда.

Рисунок 3. Схема размещения элементов системы вентиляции на типовом этаже жилого здания серии П44Т/1-17

Эта ситуация находит понимание и отклик и за рубежом. Так, после энергетического кризиса 1970-х годов в странах Западной Европы энергосбережению стало уделяться внимание не только в новых проектах, но и в существующем жилом фонде. В частности, во Франции в ряде ранее построенных домов не только утеплили стены и заменили существующие окна, но и установили на оголовках существующих вытяжных шахт естественной вентиляции механические вентиляторы с лопастями специальной формы, которые практически не препятствуют работе естественной вентиляции в период, когда естественного побуждения достаточно для обеспечения требуемого воздухообмена. Вентиляторы включаются в работу только в те периоды, когда для обеспечения необходимого воздухообмена недостаточно естественной тяги. Запуск вентиляторов выполняется автоматически: система активируется температурным датчиком. Низконапорные вентиляторы при работе практически не выделяют шума. Среди других преимуществ – очень низкое потребление энергии и простота обслуживания. Представляется, что подобная система могла бы найти применение и в условиях нашей страны.

Вентиляторы этого типа изначально были разработаны для зданий высотой 5–7 этажей. Фирма-производитель была готова разработать и внедрить в производство вентиляторы для многоэтажных жилых зданий массовых строительных серий в России, при условии заказа больших партий таких вентиляторов, однако никого это предложение не заинтересовало. Более того, при комплексном капитальном ремонте жилых зданий, осуществляемом в настоящее время в Москве в большом объеме, предусматривается утепление стен, замена окон, замена отопительных приборов и т. д., а работ по реконструкции систем вентиляции не ведется.

И. И. Бобровицким предложен проект системы, обеспечивающей устойчивую работу вентиляции в существующих многоэтажных жилых зданиях. Предложено решение для зданий массовых серий П44, П3 с типовыми блоками БВ 49-1. Это постоянно действующая механическая вентиляция с естественным регулируемым притоком.

Предпосылкой работы явилось то обстоятельство, что значительную часть жилого фонда Москвы составляют 17-этажные здания серий П3 и П44 с естественной вентиляцией, в которых используются совмещенные вентблоки типа БВ 49-1. Замена окон на герметичные с высоким сопротивлением воздухопроницанию приводит к тому, что естественная вентиляция не обеспечивает гигиенических требований в жилых помещениях, со всеми вытекающими из этого последствиями (низкое качество микроклимата в помещениях, конденсат на окнах и откосах в зимний период, появление плесени и т. д.). Кроме того, с каждым годом возрастают требования к энергосбережению, в том числе и в таких энергоемких системах, как отопление и вентиляция жилых зданий.

Одним из вариантов решения этой проблемы является использование концепции по регулированию воздухообмена в жилых помещениях по уровню относительной влажности, т. е. обеспечение вентиляции по потребности (минимизация воздухообмена во временно пустующих комнатах).

В своей работе И. И. Бобровицкий задался целью выяснить, возможна ли реконструкция вентиляционной системы в существующих жилых домах типовых серий с применением гигрорегулируемых приточных и вытяжных устройств совместно с механической вытяжкой при использовании уже существующих вентблоков БВ 49-1.

Расчеты были выполнены на примере жилого дома П44Т/17 производства «ДСК-1», и они показали, что вентблоки БВ 49-1 могут быть использованы в системах принудительной вентиляции в сочетании с гигрорегулируемыми устройствами при условии герметизации швов при напорах, создаваемых вентилятором, в пределах 100–150 Па. При этом низкие скорости в сборных каналах вентблоков и значительное аэродинамическое сопротивление спутников, вытяжных и приточных устройств обеспечивают равномерность вытяжки по этажам. Оценки показывают, что гигрорегулируемая система вентиляции может обеспечить экономию до 35 % затрат энергии на подогрев вентиляционного воздуха. В жилых домах высотой 25 этажей, в которых число вентиляционных блоков увеличено, использование такой концепции позволяет исключить дополнительные блоки, освободив тем самым площади. Принудительная вытяжная вентиляция позволяет отказаться от открытых вытяжных шахт и, соответственно, избежать всех сложностей, связанных с их эксплуатацией. Схема размещения оборудования приведена на рис. 4.

Рисунок 4 (подробнее)   Схема размещения оборудования при организации вытяжной вентиляции в жилом здании серии П44Т/1-17 с сохранением существующих вентиляционных блоков

Таким образом, система организации воздухообмена с использованием гигрорегулируемых приточных и вытяжных устройств в сочетании с механической вытяжкой через имеющиеся в жилом доме вентиляционные блоки типа БВ 49-1 может быть применена как в новом жилищном строительстве, так и в программах реконструкции и капитального ремонта старого жилого фонда.

В журнале «АВОК» был опубликован ряд статей, в которых проектировщики делятся своим опытом проектирования, монтажа и испытания систем гибридной вентиляции в жилых зданиях, однако для широкого внедрения подобных решений необходимо либо создание фирм, совмещающих проектирование, монтаж и эксплуатацию систем гибридной вентиляции, либо стимулирование внедрения этих систем на государственном уровне, что тем более актуально в свете принятых недавно инициатив, направленных на повышение энергоэффективности. В разных регионах подобного рода стимулирование может осуществляться и властями местного уровня, заинтересованными в экономии энергоресурсов.

Не сказали своего последнего слова и системы, основанные на применении естественной вентиляции, одно из главных преимуществ которых – очень низкие затраты на эксплуатацию. Недостатки естественных систем отмечались выше – это низкая эффективность в летних условиях и плохая вентиляция верхних этажей. Специалистами как в нашей стране, так и за рубежом предложены различные способы устранения этих недостатков и обеспечения устойчивой работы систем вентиляции в различных погодных условиях. Ряд таких решений по организации естественной вентиляции, реализованных в зарубежных проектах (в том числе и для высотных зданий), приведен в книге Ю. А. Табунщикова, М. М. Бродач и Н. В. Шилкина «Энергоэффективные здания». Отечественными специалистами также предлагаются интересные варианты организации устойчивой работы естественной вентиляции. Так, осенью 2009 года А. В. Туруловым запатентована (№ 2374567) система естественной вытяжной вентиляции многоэтажных зданий и зданий повышенной этажности. В этой системе вытяжка верхних этажей здания эжектируется вытяжкой нижних этажей. Система состоит из двух коаксиальных вертикальных сборных воздуховодов, внутреннего и внешнего. К внутреннему сборному воздуховоду подключаются каналы-спутники из помещений, расположенных ниже нейтральной плоскости давлений (то есть нижних этажей). К внешнему сборному воздуховоду подключаются каналы-спутники из помещений, расположенных выше нейтральной плоскости давлений (верхних этажей). В верхней части в зоне соединения вертикальных сборных воздуховодов образуется зона эжекции, в которой потоком воздуха из нижних этажей эжектируется вытяжка из внешнего воздуховода, соединенного с верхними этажами.

Выводы

1. Дальнейшее развитие энергосбережения в жилищном строительстве неразрывно связано с повышением эффективности работы систем вентиляции, в том числе с внедрением механической и гибридной вентиляции, регулируемой вентиляции, систем утилизации теплоты вытяжного воздуха.

2. Необходимым условием внедрения систем механической и гибридной вентиляции является наличие квалифицированной службы эксплуатации.

3. При капитальном ремонте существующего жилого фонда необходима реконструкция систем естественной вентиляции с превращением ее в гибридную.

4. Массовое внедрение систем вентиляции, обеспечивающих снижение затрат энергии на подогрев приточного воздуха при одновременном повышении качества микроклимата, возможно либо при условии экономической заинтересованности инвестора, в том случае, когда организация-инвестор одновременно является и заказчиком, и эксплуатирующей организацией, либо при условии стимулирования со стороны государства.

* См. статьи М. А. Малахова «Вентиляция помещений многоэтажных жилых зданий» («АВОК», 2000, № 5), «Проект естественно-механической вентиляции жилого дома в Москве» («АВОК», 2003, № 3), «Системы естественно-механической вентиляции в жилых зданиях с теплым чердаком» («АВОК», 2006, № 7), «Опыт проектирования естественно-механической вентиляции в жилых зданиях с теплыми чердаками» («АВОК», 2008, № 6), «Усовершенствование вентиляции жилых зданий» («АВОК», 2009, № 4); В. П. Харитонова «Естественная вентиляция с побуждением» («АВОК», 2006, № 3).