Система вентиляции жилых многоквартирных зданий: «опрокидывание» вытяжных каналов

А. Д. Кривошеин, канд. техн. наук, ФГБОУ ВО СибАДИ

Окончание. Начало статьи читайте в «АВОК», № 2, 2020.

Количественная оценка некоторых закономерностей

Для количественной оценки и анализа закономерностей «опрокидывания» рассмотрим в качестве примера простейшую систему вентиляции двухкомнатной квартиры верхнего этажа многоэтажного здания. В квартире – два приточных клапана с известными характеристиками и два вытяжных канала разной высоты. Регулирование воздухообмена осуществляется регулированием приточных клапанов – от их полного открытия до полного закрытия с определенным шагом.

Расчетная схема системы вентиляции, граф и система уравнений, составленные согласно [10], приведены на рис. 2.

Рис. 2. Схематичный план (а), расчетная схема (б) и граф (г) системы вентиляции квартиры верхнего этажа жилого дома с естественным побуждением движения воздуха и система уравнений, характеризующая условия опрокидывания (в)

Расчеты выполнены при последовательном изменении площади приточных клапанов – от состояния их полного открытия до полного закрытия и вновь до полного открытия с определенным шагом.

Особенность расчетов – учет заполнения «опрокинутого» канала холодным воздухом и изменение располагаемого перепада давлений для этого канала. Следует отметить, что классический подход к решению этой задачи – расчет расхода воздуха в каналах при «опрокидывании» – не учитывает этой особенности.

На рис. 3 приведены результаты математического моделирования системы вентиляции (см. рис. 2) в виде зависимости расхода удаляемого воздуха через каждый из каналов от  характеристики сопротивлений на притоке. Зависимость построена по результатам расчетов системы вентиляции в виде последовательных стационарных (квазистационарных) состояний при различной площади приточных клапанов.

Рис. 3. Изменение расходов воздуха в вытяжных вентиляционных каналах (а) и перепадов дав-лений между внутренним объемом и окружающим воздухом на уровне приточных устройств (б) при изменении характеристики сопротивления приточных клапанов (при разной высоте вытяжных каналов)

Анализ результатов показывает, что при постепенном закрытии приточных клапанов (при увеличении характеристики сопротивления  sпр) расход воздуха через вытяжные каналы уменьшается, перепад давлений возрастает, система вентиляции постепенно приходит в неустойчивое состояние. При характеристике сопротивления sпр » 0,3 (для приведенного примера) канал 2 «опрокидывается». При этом перепад давлений резко уменьшается, расход воздуха через канал 1 возрастает. Дальнейшее уменьшение площади приточных клапанов, вплоть до полного их закрытия, приводит не к остановке системы вентиляции, а к увеличению расхода воздуха через «опрокинутый» канал и лишь к небольшому росту перепада давлений. Система вентиляции из одного устойчивого состояния с удалением воздуха через вытяжные каналы (при полностью открытых приточных клапанах) переходит в другое устойчивое состояние с притоком воздуха через «опрокинутый» вытяжной канал. 

При последующем открытии и постепенном увеличении площади приточных клапанов (показано стрелками) происходит: постепенное уменьшение перепада давлений, увеличение расхода удаляемого воздуха через канал 1 и уменьшение расхода воздуха в «опрокинутом» канале (см. рис. 2). Однако возврат системы вентиляции в первоначальное состояние происходит уже при другом перепаде давлений, чем опрокидывание. То есть наблюдается своего рода гистерезис – возврат системы в первоначальное состояние при иных условиях, чем «опрокидывание». Представляется, что отмеченный эффект обусловлен заполнением опрокинутого канала холодным воздухом и, соответственно, необходимостью приложения дополнительных усилий (большего перепада давлений) для его удаления («выталкивания» холодного воздуха из канала) при выходе системы в первоначальное состояние.

Неоднозначность ситуации заключается в том, что даже полного открытия приточных клапанов может оказаться недостаточно – «опрокинутый» вентиляционный канал будет продолжать работать на приток, и лишь открытие створки окна может вернуть систему в проектное состояние.

Аналогичные расчеты, выполненные при увеличенной высоте каналов, показывают, что в данном случае опрокидывание канала происходит несколько позднее – при большем закрытии приточных клапанов (рис. 4). Систему вентиляции при увеличении высоты каналов сложнее вывести из устойчивого состояния. Но и для вывода системы из «опрокинутого» состояния, если это случилось, требуется большая площадь приточных клапанов. И чем выше вентиляционные каналы, тем сложнее вернуть их в проектный режим, если один из них «опрокинулся».

Рисунок 4. Изменение расходов воздуха в вытяжных вентиляционных каналах квартиры нижнего этажа в зависимости от характеристики сопротивления приточных клапанов (при разной высоте вытяжных каналов h1 = 28,34 м, h2 = 27,34 м)

Понижение температуры наружного воздуха сказывается аналогичным образом. Увеличиваются перепады давлений, и нарушение устойчивой работы системы вентиляции происходит позднее – при меньшей площади приточных клапанов.

Более сложный случай для математического моделирования – вариант с равной высотой оголовков вентиляционных каналов.

Формально при равной высоте вентканалов увеличение сопротивления на притоке, вплоть до полного закрытия приточных клапанов, должно приводить к остановке системы вентиляции. При отсутствии притока воздуха (или его малых расходах) и в вытяжных каналах расход удаляемого воздуха должен стремиться к нулю, как это следует из классической теории аэродинамического расчета подобных систем вентиляции. Однако данное состояние системы становится крайне неустойчивым. И достаточно приложить небольшие усилия, чтобы система вентиляции вышла из равновесия. Такими возмущающими факторами могут являться: повышение температуры удаляемого воздуха в одном из каналов, порывы ветра, «хлопок» входной двери и другие. В данном случае необходимо уже динамическое моделирование, позволяющее оценить значимость тех или иных воздействий на устойчивость системы вентиляции. Но сам переход – его границы могут быть определены на основе имеющегося математического аппарата.

Результаты моделирования по описанной выше методике, при задании разной температуры удаляемого воздуха (в частности, +20 и +23 ⁰С, что вполне может иметь место в реальной квартире, например на кухне и в санузле), приведены на рис. 5. «Опрокидывание» канала происходит при закрытии приточных клапанов – в помещении с более низкой температурой удаляемого воздуха. Закономерности изменения расхода воздуха от характеристик сопротивления на притоке аналогичны ранее рассмотренному случаю с каналами разной высоты. Вывод «опрокинутого» канала в проектный режим также требует увеличения площади приточных устройств или открытия створки окна. 

Рисунок 5. Изменение расходов воздуха в вытяжных вентиляционных каналах квартиры верхнего этажа в зависимости от характеристики сопротивления приточных клапанов при равной высоте каналов (температура воздуха, удаляемого через вытяжные каналы, отличается – tкан1 = +23 0С; tкан2 = +20 0С)

Бесспорно, приведенные результаты расчетов носят частный характер и справедливы для рассмотренных условий. Однако отмеченные закономерности позволяют объяснить ряд физических процессов и оценить их количественно.

Границы опрокидывания

Определение границ опрокидывания в реальных зданиях является достаточно непростой задачей, поскольку требует учета комплекса факторов, оказывающих влияние на изменение расходов приточного и удаляемого воздуха в квартирах разных этажей, в том числе на изменение характеристик отдельных элементов системы вентиляции при изменении расходов воздуха, хотя в целом задача вполне разрешимая.

Для простых случаев, например для системы вентиляции, представленной на рис. 2,  граница опрокидывания может быть определена из системы уравнений, описывающих ее состояние (см. рис. 2, в).  

При увеличении сопротивления на притоке происходит уменьшение величины ΔP_канал2, так как уменьшается расход приточного воздуха и, соответственно, уменьшается расход удаляемого воздуха через этот канал. Это изменение будет происходить до тех пор, пока располагаемое давление для этого канала P_тепл.2 не сравняется с потерями давления на притоке ΔP_приток (с сопротивлением приточных клапанов). При этом ΔP_{канал 2} → 0. Эти соотношения и определяют границы опрокидывания. После того как потери давления на притоке станут больше располагаемого давления для канала с наименьшим располагаемым давлением (ΔP_приток > P_тепл.2), система вентиляции «опрокинется».

Некоторые частные случаи

Опрокидывание высоких каналов, работающих совместно с каналами меньшей высоты и расположенных в одном помещении. На первый взгляд ситуация невозможная и противоречит классической теории аэродинамики. Но такие случаи, хоть и нечасто, имеют место в реальной практике.

Рассмотренные выше закономерности позволяют смоделировать и эту ситуацию: когда в силу ряда обстоятельств, например ветровых воздействий при определенных особенностях застройки, более высокий канал заполняется холодным воздухом и «выключается» как вытяжной канал. Система вентиляции в этом случае может устойчиво (и достаточно долго) работать с поступлением холодного воздуха через высокий канал и удалением воздуха через канал меньшей высоты. При изменении условий система возвращается в проектный режим и при последующем появлении пограничного состояния «опрокинутым» может оказаться уже другой канал.

Изменение режима работы каналов в различные периоды времени. В реальных квартирах зачастую наблюдается «исчезающий» дефект – изменение режима работы каналов, расположенных в квартире. Например, «опрокинутым» оказывается то канал кухни, то, через некоторое время,  канал санузла. Исходя из изложенных выше соображений эта ситуация объясняется воздействием случайных факторов (внешних или внутренних), оказывающих влияние на систему вентиляции в неустойчивом состоянии. Например, после открытия створки окна или входной двери все каналы квартиры практически мгновенно выходят в проектный режим. Но после закрытия окна или двери, в результате сочетания случайных факторов, может «опрокинуться» не тот канал, который был «опрокинут» ранее.

При наличии в квартире трех (или более) вытяжных каналов и недостаточном притоке воздуха, режим «опрокидывания» может перемещаться от одного канала к другому. Следует отметить, что при трех и более каналах в квартире «опрокидывается» только один канал. Остальные работают на вытяжку.

Нарушение работы систем вентиляции в новостройках. Наиболее часто описанные процессы отмечаются во вновь построенных зданиях, и по прошествии некоторого времени они могут исчезать сами по себе. В данном случае процессы «опрокидывания» могут быть связаны с особенностями заселения квартир: в новостройках заселение квартир происходит постепенно. Соответственно, в некоторых квартирах закрыты и окна, и приточные клапаны, что и понятно: зачем проветривать неэксплуатируемые помещения? Недостаточный приток обусловливает выход системы вентиляции в неустойчивое состояние со всеми вытекающими последствиями, описанными выше. По мере заселения квартир увеличивается частота проветривания помещений, открываются приточные клапаны, и система «сама собой» выходит в проектный режим. Хотя нередки случаи, когда система вентиляции после успешной работы в проектном режиме вновь «опрокидывается» вследствие рассмотренных выше причин. 

Нарушение работы систем вентиляции в период стояния низких температур наружного воздуха.  Нередко «опрокидывание» вытяжных каналов проявляется в период стояния низких температур наружного воздуха. Последствия нарушения работы системы в этот период особенно негативны, поскольку поступление холодного воздуха приводит к переохлаждению помещений и выпадению конденсата (обмерзанию) на стенках поверхности вытяжных каналов. Причины: при низких температурах наружного воздуха жильцы ограничивают работу приточных клапанов (если они есть) и практически исключают проветривание путем открытия створок окон или форточек окон. Недостаточный приток приводит к изменению направления движения воздуха в одном из вытяжных каналов.

Опрокидывание сборных каналов многоэтажных зданий. В системах вентиляции многоэтажных зданий с холодным чердаком и каналами-спутниками, присоединяемыми к вертикальному сборному каналу, может быть «опрокинут» весь сборный канал. Эта ситуация возникает при недостаточном притоке по всем квартирам, расположенным друг над другом (чаще всего в начальный период эксплуатации жилого дома). Возврат в проектный режим возможен при одновременном открытии створок окон на нескольких этажах.

Что делать?

Вопрос, что делать с «опрокидыванием» вытяжных вентиляционных каналов, можно условно разделить на несколько подвопросов:

- что делать на стадии проектирования?

- что делать при строительстве и сдаче жилого дома в эксплуатацию?

- что делать на стадии эксплуатации, если подобное явление все же случилось?

На стадии проектирования представляются обязательными применение приточных вентиляционных устройств и их увязка с вытяжными вентиляционными каналами. При этом не каких-либо приточных устройств типа клапанов «самовентиляции» с расходом воздуха 3–5 м³/ч, а полноценных приточных клапанов (оконных или стеновых), с известными характеристиками, позволяющими проводить аэродинамический расчет на сочетание наихудших условий. В этой связи нельзя не высказать недоумение по поводу того, что при всей актуальности и обязательности применения регулируемого притока воздуха до последнего времени отсутствуют какие-либо нормативные требования к приточным клапанам и методам оценки их показателей.

Следует подчеркнуть, что наличие приточного клапана является обязательным, но недостаточным решением, поскольку на стадии эксплуатации приточные устройства могут быть закрыты либо в силу отсутствия проживающих, либо по причине отсутствия необходимости проветривания данного помещения. В этой связи представляется необходимым устройство регулируемых вытяжных вентиляционных решеток с регулируемым сечением и обратным клапаном.

Универсальное решение – проектирование систем вентиляции с децентрализованным механическим удалением воздуха посредством установки вытяжных вентиляторов во всех каналах квартир, по терминологии Р НП «АВОК» 5.2–2012 – систем механической вытяжной вентиляции с индивидуальными вентиляторами с естественным притоком воздуха [1]. Обязательное условие – оснащение вытяжных вентиляторов обратными клапанами и регуляторами количества оборотов. В идеале – установка вентиляторов с программируемым режимом работы, датчиками движения, относительной влажности воздуха, углекислого газа и т. п.

На стадии строительства, а конкретнее на стадии сдачи здания под отделку, представляется целесообразным ограничение расхода удаляемого воздуха через вытяжные каналы. Простое решение – установка регулируемых вентиляционных решеток с возможностью закрытия вентканалов либо установка в вентиляционные каналы дросселирующих заглушек с отверстиями, рассчитанными на увеличение аэродинамического сопротивления. При отсутствии проживающих (на начальной стадии эксплуатации здания) закрытые вентиляционные решетки или дросселирующие заглушки работают как дополнительные сопротивления, ограничивающие расход удаляемого воздуха и предохраняющие систему от «опрокидывания». Принцип работы: большое сопротивление на притоке – большое сопротивление на вытяжке. По мере заселения квартир вытяжные вентиляционные решетки будут открываться или заменяться вентиляторами с обратными клапанами.

В качестве примера на рис. 6 показаны закономерности изменения расхода воздуха через вытяжные вентиляционные каналы при закрытии приточных клапанов (при увеличении величины s_пр) и, соответственно, уменьшении площади вытяжных вентиляционных решеток (при увеличении величины s_кан). Результаты расчетов показывают, что в данном примере явление «опрокидывание» вентканалов возможно предотвратить.

Рисунок 6. Изменение расходов воздуха в вытяжных вентиляционных каналах квартиры верхнего этажа в зависимости от характеристики сопротивления приточных клапанов при увеличении сопротивления вытяжных каналов (высота вытяжных каналов разная – h1 = 4,34 м, h2 = 3,34 м)

Что делать на стадии эксплуатации, если подобные проблемы уже возникли? Как правило, жильцы квартир при появлении описанных проблем пытаются ограничить поступление холодного воздуха, перекрывая «опрокинутые» каналы. В подавляющем большинстве случаев это не дает эффекта, поскольку канал остается заполненным холодным воздухом и «опрокинутым» может оказаться сборный канал. Кроме того, вытяжной канал просто перестает работать как вытяжной, что тоже не очень хорошо.  Решение заключается в ограничении расхода воздуха через канал, работающий на вытяжку, как это ни покажется парадоксальным на первый взгляд. Уменьшение расхода удаляемого воздуха может помочь запустить и перевести «опрокинутый» канал в проектный режим (хотя и не всегда). Радикальное решение – установка вытяжных вентиляторов с обратными клапанами.

Заключение

Нарушение работы систем естественной вентиляции жилых зданий, проявляющееся в виде изменения направления движения воздуха в вытяжных вентиляционных каналах, имеет вполне определенные физические причины, обусловленные, прежде всего, большим аэродинамическим сопротивлением ограждающих конструкций и приточных вентиляционных устройств.

Расчет и проектирование подобных систем требуют расчета вытяжных каналов с учетом их совместной работы, увязки с характеристиками приточных устройств, прогнозированием эксплуатационного состояния при различных сочетаниях внешних и внутренних воздействий. От правильного решения этих вопросов в значительной мере зависят устойчивость и эксплуатационная надежность системы вентиляции здания в целом.

Повышение устойчивости системы естественной вентиляции возможно путем применения приточных вентиляционных клапанов с заданными характеристиками, устройств регулирования сопротивления вытяжных вентиляционных каналов, применения систем механической вытяжной вентиляции с индивидуальными вентиляторами, обратными клапанами и программируемым режимом работы.

Литература

1. Р НП АВОК 5.2–2012. Технические рекомендации по организации воздухообмена в квартирах жилых зданий. М.: АВОК-ПРЕСС, 2012.
2. Ливчак И. Ф. Вентиляция многоэтажных жилых домов. М.:  Госиздат архитектуры и градостроительства, 1951.
3. Константинова В. Е. Воздушно-тепловой режим в жилых зданиях повышенной этажности.  М.: Стройиздат, 1969.
4. Гинцбург Э. Я. Расчет отопительно-вентиляционных систем с помощью ЭВМ. М.: Стройиздат, 1979.
5. Ливчак И. Ф., Наумов А. Л. Вентиляция многоэтажных жилых зданий. М.: АВОК-ПРЕСС, 2005. 134 с.
6. Малявина Е. Г., Бирюков С. В., Дианов С. Н. Воздушный режим жилых зданий. Учет влияния воздушного режима на работу системы вентиляции жилых зданий // АВОК. – 2003. – 6. – С. 14–21.
7. Кривошеин А. Д., Андреев И. В. Особенности проектирования систем естественной вентиляции с вертикальными сборными каналами // Проектирование и строительство в Сибири. – 2008. – № 6. – С. 50–55.
8. Волов Г. Я. Устойчивость работы систем естественной вентиляции многоквартирных жилых зданий // АВОК. – 2014. – № 1. – С. 30–37.
9. Кривошеин А. Д. Прогнозирование работы систем естественной вентиляции жилых зданий с организованным притоком воздуха // Известия высших учебных заведений. Строительство. – 2011. – № 4. – С. 43–52.
10. Кривошеин М. А. Прогнозирование работы систем вентиляции жилых многоквартирных зданий с децентрализованным механическим удалением воздуха // Вестник СибАДИ. – 2017. – № 4–5 (56–57). – С. 116–126.
11. Рекомендации АВОК 5.4.1–2018. Расчет и проектирование регулируемой естественной и гибридной вентиляции в многоэтажных жилых домах. М.: АВОК-ПРЕСС, 2018.