Оценка эффективности естественного воздухообмена жилых помещений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.01, кандидат наук Сайфутдинова, Аделя Мусаяфовна

• Сайфутдинова, Аделя Мусаяфовна
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Сайфутдинова, Аделя Мусаяфовна

2.4 Выводы по главе

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ КАЧЕСТВЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ВОЗДУХООБМЕНА В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ОБЪЕМНО-ПЛАНИРОВОЧНЫХ РЕШЕНИЙ КВАРТИР

3.1 Классификация экспериментальных моделей

3.2 Разработка метода количественной оценки качественных характеристик воздухообмена с использованием программных комплексов FLUENT и GAMBIT

3.3 Результаты расчетов воздухообмена квартир без организованного притока свежего воздуха (1-й этап)

3.4 Результаты расчетов воздухообмена квартир с организованным (увеличенным) притоком свежего воздуха до кратности воздухообмена n = 1 (2-й этап)

3.5 Сравнительный анализ результатов расчетов

3.6 Выводы по главе

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ

ПРИТОЧНО-ВЫТЯЖНЫХ УСТРОЙСТВ НА КАЧЕСТВЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВОЗДУХООБМЕНА ЖИЛЫХ

ПОМЕЩЕНИЙ

4.1 Обоснование выбора дополнительного приточно-вытяжного устройства

4.2 Исследование работы СПВВР в помещении

4.3 Исследование влияния работы СПВВР на качественные характеристики воздухообмена квартир

4.4 Исследование закономерностей изменения температурного поля в приточно-вытяжной струе у изделия СПВВР

4.5 Выводы по главе

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ПОВЫШЕНИЮ

ЭФФЕКТИВНОСТИ ВОЗДУХОООБМЕНА ЖИЛЫХ

ПОМЕЩЕНИЙ НА СТАДИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ КВАРТИР

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

СПИСОК АВТОРСКИХ ПУБЛИКАЦИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Дополнительные устройства по увеличению

притока свежего воздуха

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Иллюстрации по результатам численного моделирования воздухообмена квартир без организованного

притока свежего воздуха (1-й этап)

ПРИЛОЖЕНИЕ В. Иллюстрации по результатам численного моделирования воздухообмена квартир с организованным (увеличенным) притоком свежего воздуха до кратности

воздухообмена n = 1 (2-й этап)

ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Справки о внедрении результатов исследования

ч ч

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оценка эффективности естественного воздухообмена жилых помещений»

ВВЕДЕНИЕ. АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ

Актуальность работы. Воздушная среда помещений зданий является важнейшей категорией их санитарно-гигиенического благополучия. Вместе с тем по данным Всемирной организации здравоохранения треть вновь строящихся или реконструируемых зданий содержит загрязненный воздух. Растет число людей, страдающих от «синдрома больного здания» (Sick building syndrome), признаками которого являются заложенность носа, насморк, раздражение глаз, сухость кожи, головная боль, кашель и усталость.

Пребывание человека в загрязненном воздухе на 50 % увеличивает риск заболевания. По данным Оле Фангера в мире ежедневно умирает около 5 тысяч человек от плохого качества внутреннего воздуха. Ущерб от снижения производительности труда в помещениях с плохим качеством воздуха достигает в США 60 миллиардов долларов в год.

Среди всех видов зданий жилые здания занимают особое место, потому что в них человек проводит до 70 % времени. Воздушная среда жилых помещений также подвержена множественным загрязнениям: от деятельности человека, от выделений химических веществ из строительных материалов, радона, выделяющегося из земли под зданием, и т.п. в результате этих воздействий воздух жилых помещений оказывается в 4-5 раз более загрязненным, чем атмосферный воздух.

Естественная вентиляция, призванная решать задачи обеспечения жилых помещений свежим воздухом, составляет лишь часть общей проблемы воздухообмена. Естественная вентиляция рассматривает располагаемый напор, сопротивление в каналах и объемы удаляемого воздуха. В методах расчета естественной вентиляции нет привязки к объемно-планировочным решениям квартир, нет данных о траекториях и скоростях воздушных потоков, о наличии и расположении застойных зон в помещениях, не учитывается статистика воздухообмена в течение года, в связи с изменчивостью климатических факторов.

Т.е. методы естественной вентиляции оказались не в состоянии обеспечить санитарно-гигиенические качества воздушной среды жилых помещений.

В связи с изложенным, изучение закономерностей воздухообмена в жилых помещениях зданий массовой застройки в зависимости от объемно-планировочных решений квартир с учетом параметров климата является весьма актуальной задачей.

Цель работы: установление закономерностей естественного воздухообмена жилых помещений и разработка на этой основе метода оценки качества воздухообмена и рекомендаций по повышению его эффективности на стадии проектирования квартир.

Задачи исследования:

1. Исследовать закономерности изменения теплового и ветрового напоров в течение года и разработать на этой основе методы определения расчетных значений температуры и скорости ветра для оценки годового хода располагаемого напора и объемов приточного воздуха.

2. Исследовать качественные характеристики воздухообмена жилых помещений в зависимости от параметров климата и объемно-планировочных решений квартир и разработать на этой основе метод количественной оценки показателей качества воздухообмена жилых помещений.

3. Исследовать влияние дополнительных приточно-вытяжных устройств на качественные характеристики воздухообмена в жилых помещениях.

4. Разработать рекомендации по повышению эффективности воздухообмена жилых помещений на стадии проектирования квартир.

Объект исследования - жилые помещения и квартиры в жилых домах массового строительства.

Предмет исследования - качественные характеристики воздухообмена в жилых помещениях.

Методы исследования - экспериментальные (лабораторные и натурные), расчетно-аналитические и численные (с использованием пакетов прикладных программ).

Научная новизна:

впервые установлен комплекс показателей, определяющих качество воздухообмена жилых помещений: кратность воздухообмена, траектории и скорости воздушных потоков по помещениям квартиры, продолжительность пребывания воздуха в застойных зонах помещений, перетекание воздушных потоков из «грязных» помещений в жилые комнаты и показано, что включение указанного комплекса показателей в нормы проектирования естественной вентиляции повысит качество проектирования естественного воздухообмена;

разработан метод количественной оценки показателей качества воздухообмена жилых помещений на основе CFD моделирования с использованием программных продуктов ANS YS: FLUNT и GAMBIT, который позволит оценивать влияние объемно-планировочных решений квартир на качество воздухообмена;

впервые установлены закономерности изменения количественных показателей качественных характеристик воздухообмена в жилых помещениях в зависимости от величины кратности воздухообмена, от объемно-планировочных решений квартир и их ориентации, от использования дополнительных приточно-вытяжных устройств;

разработаны методы определения расчетных параметров температуры и скорости ветра для оценки годового хода располагаемого напора, которые позволят определять реальные объемы приточного воздуха. На защиту выносятся:

1. Методы определения расчетных параметров температуры и скорости ветра для оценки годового хода располагаемого напора.

2. Зависимости влияния объемно-планировочных решений квартир и условий притока-вытяжки на показатели качества воздухообмена.

3. Закономерности влияния дополнительных приточно-вытяжных устройств на качественные характеристики воздухообмена.

4. Рекомендации по повышению эффективности воздухообмена жилых помещений на стадии проектирования квартир.

Практическая значимость работы:

- разработан метод определения реальных значений располагаемого напора, в котором учтены: годовой ход теплового и ветрового напоров, аэродинамика территории застройки, ориентация здания и его этажность;

- разработаны рекомендации по повышению эффективности воздухообмена жилых помещений на стадии проектирования квартир;

- результаты исследований включены в курс лекций дисциплины «Физика среды и ограждающих конструкций», раздел «Естественный воздухообмен в помещениях» для студентов специальности «Проектирование зданий»;

- результаты выполненных исследований внедрены ООО «Группа компаний Зилант» г. Казани при использовании приточно-вытяжной системы типа СПВВР для улучшения воздухообмена в помещениях (установлено не менее 280 устройств в 230 помещениях в 70 зданиях).

Достоверность результатов, научных выводов и рекомендаций диссертационной работы обеспечивается разработкой математических моделей на основе существующих методов с использованием фундаментальных законов течения вязкой несжимаемой жидкости. Экспериментальные данные получены на основе апробированных методов и методик измерений, с использованием сертифицированного испытательного оборудования, прошедшего госповерку.

Личный вклад соискателя состоит в обосновании актуальности темы исследований, проведении всех расчетов и экспериментов, в апробации результатов работы на научных конференциях различного уровня, включая международные. Формулирование цели и задач работы, интерпретация экспериментальных данных и результатов расчетов, подготовка публикаций выполнены совместно с научным руководителем. Техническая подготовка экспериментального оборудования и обсуждение результатов экспериментов для подготовки публикации выполнены в соавторстве (с Сафиным И.Ш. и Зиганшиным A.M.).

Апробация работы: Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях: 58-Й-61-Й и 64-й-

66-й Республиканских научных конференциях по проблемам архитектуры и строительства (г. Казань, КГАСУ, 2006-2009 г.г., 2012-14 г.г.); 6-й Международной конференции пользователей АКБУЗ (г. Москва, 2008 г.); Научно-практической конференции студентов и аспирантов «Наука и инновации в решении актуальных проблем города» (г. Казань, 2008 г.); Академических чтениях «Актуальные вопросы строительной физики», НИИ Стройфизики, РААСН, МГСУ (г. Москва, 2009 г.); 7-й межрегиональной научно-практической конференции «Архитектура и инженерные системы в общественных зданиях -2013», Минздрав РТ, (г. Казань, 2013 г.); «Смарт Сити: от интеллектуальных зданий к умным городам» в рамках XIV Международного симпозиума «Энергоэффективность и энергосбережение», Министерство строительства, архитектуры и жилищно-коммунального хозяйства РТ (г. Казань, 2014 г); «Энергоэффективное будущее» Открытый диалог поколений» в рамках XIV Международного симпозиума «Энергоэффективность и энергосбережение», Министерство по делам молодежи, спорту и туризму РТ (г. Казань, 2014 г.).

Результаты исследований отмечены стипендией Мэра г. Казани (2008 г.).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 10 научных статей, в том числе 4 в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 217 наименований и приложений. Диссертация изложена на 179 страницах, включая 159 страниц машинописного текста, 58 рисунков, 45 таблиц, и 20 страниц приложений.

Автор выражает огромную благодарность за помощь на различных этапах исследования научному руководителю д.т.н., профессору Куприянову В.Н., сотрудникам кафедры «Проектирование зданий» и «Теплогазоснабжение и вентиляция» КазГАСУ.

ГЛАВА 1. ЕСТЕСТВЕННЫЙ ВОЗДУХООБМЕН ЖИЛЫХ ПОМЕЩЕНИЙ

(ОБЗОР И АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРЫ)

1.1 Воздушная среда жилых помещений и ее влияние на человека

Большую часть жизни человек проводит в зданиях и, соответственно, дышит воздухом замкнутых помещений [120]. История развития критериев по оценке качества воздушной среды помещений претерпевала множество изменений. Так, в XVIII веке, один из первых ученых в этой области Лавуазье, заявил, что основным показателем качества воздушной среды можно считать содержание углекислого газа [200]. Далее в течение XIX века возникали новые теории, где отмечалось отрицательное влияние не столько углекислого газа, сколько содержание органических выделений от человека, а концентрация углекислого газа в этом случае может являться критерием количественной оценки этих выделений. В конце XIX-го начале ХХ-го века серией экспериментов учеными было показано, что механизм восприятия ухудшения качества воздуха имел скорее физическую, нежели химическую природу. В результате этого прорыва была учтена важность таких показателей, как влажность и температура воздуха. Сочетание этих параметров являлось критериями оценки качества воздушной среды до 60-х годов ХХ-го века. Более поздние исследования качества воздушной среды помещений (исследования Оле Фангера) в основу закладывали такие параметры, как запахи и количество «биологических» загрязнений.

Стремительное развитие науки и техники привело к тому, что на сегодняшний день, помимо человека, в помещениях есть масса других источников загрязнения: современные строительные материалы, электронное оборудование, ковры мебель и даже сами системы вентиляции и кондиционирования воздуха [13]. Таким образом, качество воздушной среды помещений складывается из таких компонентов, как физические параметры среды — микроклимат и загрязняющие факторы [162]. Нормами [120, 121, 122, 138, 142, 150] определено более 50 параметров среды жилого помещения, подлежащих обязательному контролю.

Под микроклиматом понимают состояние внутренней среды помещения, которое складывается из таких показателей, как температура внутреннего воздуха, температура внутренней поверхности ограждающих конструкций, относительная влажность и подвижность воздуха [34, 39, 76, 89, 107, 173]. В таблице 1.1 приведены нормативные значения параметров микроклимата [121, 122, 158].

Таблица 1.1 — Оптимальные и допустимые нормы температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха в обслуживаемой зоне помещений жилых зданий

Пери- Наименование помещения Температура воздуха, °С Результирующая температура, °С Относительная влажность, % Скорость движения воздуха, м/с

од года оптимальная допустимая оптимальная допустимая оптимальная допустимая, не более оптимальная, не более допустимая, не более

Холодный Жилая комната То же, в районах с температурой наиболее холодной пятидневки (обеспеченностью 0,92) -31°С и ниже 20-22 21-23 18-24 (20-24) 20-24 (22-24) 19-20 20-22 17-23 (19-23) 19-23 (21-23) 45-30 45-30 60 60 0,15 0,15 0,2 0,2

Кухня Туалет 19-21 19-21 18-26 18-26 18-20 18-20 17-25 17-25 НН* НН НН НН 0,15 0,15 0,2 0,2

Ванная, совмещенный санузел 24-26 18-26 23-27 17-26 НН НН 0,15 0,2

Теплый Жилая комната 22-25 20-28 22-24 18-27 60-30 65 0,2 0,3

НН* - не нормируется Примечание: значения в скобках относятся к домам для престарелых и инвалидов

Под оптимальными параметрами микроклимата подразумевают такое сочетание значений показателей, которые при длительном и систематическом воздействии на человека обеспечивают тепловое состояние организма при минимальном напряжении механизмов терморегуляции и ощущение комфорта не менее чем у 80 % людей, находящихся в помещении [140, 148, 166]. Допустимые параметры микроклимата — это такое сочетание значений показателей, которое

при длительном и систематическом воздействии на человека могут вызвать общее и локальное ощущение дискомфорта, умеренное напряжение механизмов терморегуляции, не вызывающих повреждений или нарушений состояния здоровья [28, 143, 151]. Оптимальные параметры микроклимата могут отличаться для разных возрастных групп населения [89, 158].

При температуре внутреннего воздуха 26 °С наблюдается резкое снижение работоспособности [1, 76]. Исследованиями [3] установлено, что перепад температуры по высоте помещения не должен превышать 2,8 °С. Так, при вертикальном перепаде температуры 6,8 °С и температуре пола 15-17 °С температура пальцев ног за три часа снизилась на 7 °С, а при перепаде 2,8 °С и температуре пола 16 °С температура пальцев ног не снижается.

Огромное значение на состояние комфорта имеет скорость движения воздуха. Подвижность воздуха менее 0,1 м/с затрудняет процесс испарения, вызывает ощущение утомления, а слишком большая подвижность нарушает теплообмен, способствует охлаждению, вызывает ощущение сквозняков. Известно, что к действию сквозняков чувствительнее всего шея и щиколотка.

Следует отметить, что на состояние комфорта могут влиять различные сочетания параметров микроклимата. Так, прохладный и сухой воздух воспринимается более чистым [11, 191, 192, 213], тогда как сочетание высокой влажности и высокой температуры вызывает крайний дискомфорт, затрудняется процесс испарения, поскольку при температуре 34 °С процесс теплоотдачи происходит только за счет испарения [3, 125].

Анализ различных источников показал, что комфортные значения температуры и относительной влажности воздуха в помещении в разных странах находятся в одном диапазоне, а значения подвижности воздуха, которые не вызывают дискомфорта, могут отличаться в десятки раз. Российскими нормами обозначен предел скорости в теплый период года 0,5 м/с и 0,2 м/с в холодный [137, 143]. В таблице 1.2 представлены рекомендуемые скорости движения воздуха в помещении по данным некоторых авторов [1].

Таблица 1.2 — Рекомендуемые скорости движения воздуха в помещении по данным некоторых авторов

Автор Температура, °C Скорость движения воздуха, м/с

Raedler 18-26 0,05-0,5

Kollmar 20-26 0,1-0,4

Боголюбов K.K. 18-22 0,15-0,25

Hardy 20 0,12-0,6

Frank 19-26 0,1-0,44

Увеличение скорости движения воздуха в помещении является способом оптимизации микроклимата [26, 57]. В зависимости от вида деятельности (легкая, средней тяжести, тяжелая) комфортная скорость воздуха может значительно отличаться от нормируемой (до 3-4 м/с) [9]. А по данным [129] при температуре 28 °С и относительной влажности 50 % достигается оптимизация теплового состояния человека при подвижности воздуха 0,6-0,9 м/с. В [3] указано, что в летний период при температуре наружного воздуха 32 °С, температуре внутреннего воздуха 27-28 °С при средней активности подвижность воздуха должна достигать значения 1,5 м/с. А при переходе от неподвижности воздуха к его движению зона комфортной температуры расширяется на 8-10 °С [29]. При низкой влажности скорость воздуха несущественна, т.к. процесс испарения в любом случае идет быстро [70].

Одинаково плохо на организме человека сказывается как повышенное, так и пониженное содержание влаги. При сухом воздухе (менее 30% относительной влажности) усиливается испарение влаги с поверхности слизистых оболочек дыхательных путей, что ухудшает их фильтрационную способность по отношению к микрофлоре и пыли. При относительной влажности воздуха более 80% затрудняется теплообмен.

На рисунке 1.1 показаны различные комфортные сочетания параметров воздушной среды [6, 7, 76]. Известно, что индивидуальные предпочтения по температуре воздуха могут отличаться на 10 °С, а по подвижности - в 4 раза [129].

Загрязняющие факторы - комплекс выделений и воздействий вредных для состояния организма человека [162]. Вредные выделения могут поступать в воздушную среду помещений как от внешних, так и от внутренних источников [212]. Внешние, в свою очередь подразделяются на антропогенные и природные. К антропогенным относятся выбросы от технологических установок промышленных предприятий и транспорта [45, 95]. От антропогенных источников в воздух попадают канцерогены, которые увеличивают число заболеваний раком легких, и раздражающие вещества, такие как альдегиды, предельные и непредельные соединения углеводородов, оказывающие наркотическое воздействие на центральную нервную систему и раздражающие слизистую оболочку. Так же из атмосферного воздуха в помещение попадают такие вещества, как свинец, кадмий, хром, медь, стронций, марганец, железо, цинк.

б)

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Скорость воздуха, м/с

12 Н 16 1в 20 22 24 26 28

Температура воздуха в помещении в'С

Рисунок 1.1— Различные комфортные сочетания параметров воздушной среды

а - область комфортного сочетания температуры и подвижности воздуха; б - комфортное сочетание температуры и относительной влажности воздуха в помещении

Основным природным источником загрязнения является почва. С неблагоустроенных территорий в атмосферный воздух попадает пыль, в основном минерального происхождения, но при плохой очистке территории населенного пункта в ней может содержаться значительное количество органических веществ и бактерий [95]. На концентрацию внешних источников загрязнения влияют такие природные факторы, как направление и скорость ветра (уменьшает

антропогенные и увеличивает природные), солнечная радиация, рельеф местности, температура наружного воздуха, относительная влажность воздуха [115].

Внутренним источником загрязнения может быть как сам человек, так и предметы мебели, строительные и отделочные материалы, инженерные системы [71, 80, 100, 115, 162]. Так, в процессе жизнедеятельности в окружающую среду из организма человека выделяются конечные продукты обмена веществ (более 400 соединений). Основным нормируемым показателем жизнедеятельности людей является содержание диоксида углерода (таблица 1.3). Человек выдыхает от 0,015 до 0,043 м3/ч диоксида углерода [104, 202]. Предельным считается содержание диоксида углерода в воздухе помещений 0,1 % (1 л/м), а оптимальным 0,04-0,05 % (0,4-0,5 л/м ). Однако человек, наряду с кислородом, парами воды, азотом, оксидами углерода выдыхает более 100 летучих химических соединений, которые присутствуют в небольших количествах. Большинство этих соединений токсичны, поэтому они получили название антропотоксины. Было установлено, что ухудшение самочувствия людей наступает задолго до критического уровня концентрации углекислого газа. Это связано с наличием в воздухе помещения антропотоксинов [115].

Таблица 1.3 — Количество углекислого газа, выделяемого одним человеком

Возраст и характер Расход СОг

выполняемой работы объемный, л/ч массовый, г/ч

Взрослые люди при

выполнении работы:

- умственной (или в 23 45

состоянии покоя)

- физической:

легкой 30 60

тяжелой 45 90

Дети до 12 лет 12 24

Открытое горение газа в 700 л при сгорании

кухонной плите 1 м3 газа

Помимо газообразных выделений важным критерием жизнедеятельности является количество выделяемой человеком влаги и тепла. Обмен теплом между

человеком и окружающей средой происходит непрерывно в виде конвекции, излучения (радиация), теплопроводности (кондукция) или испарения [3, 131]. Конвекцией и кондукцией передается 15-33 % тепла, радиацией - 45-60 %, испарением 20-30 % [77]. Радиация является основным путем передачи тепла. Интенсивность радиации во многом зависит от температуры окружающих поверхностей, особенно от температуры поверхности стен. Теплоотдача конвекцией происходит в результате перемещения воздуха в пространстве и зависит от температуры и скорости движения воздуха. Теплоотдача путем испарения связана с влажностью, температурой и скоростью движения воздуха [39, 99]. В зависимости от вида деятельности человек выделяет от 80 до 1000 Вт тепла. Примерно 75,8 % всего тепла идет на нагрев воздуха в помещении [103].

Теплообмен путем испарения сопровождается выделением влаги в окружающую среду. Для человека этот процесс становится заметным при температуре 28-29 °С. В сутки человек выделяет от 0,8 до 1,0 кг влаги [98]. Так, в процессе жизнедеятельности семья из четырех человек выделяет 10-15 литров влаги в сутки, тогда как 2,8 л водяного пара увеличивают относительную

л

влажность с 15 до 60 % при общей площади дома 93 м .

Помимо человека, в помещениях есть и иные источники выделений оксида углерода, влаги и тепла. Огромное количество влаги поступает в воздух помещений при приготовлении пищи, стирке белья (таблица 1.4) [12].

Таблица 1.4 — Влаговыделения в квартире

№ п/п Источник влаги Влаговыделение, г/ч

1 Человек Легкая деятельность 30-60

Работа средней трудности 120-200

Трудная работа 200-300

2 Ванная комната Принятие ванны Прибл. 700

Принятие душа Прибл. 2600

3 Кухня Приготовление пищи, мыте посуды 600-1500

В среднем за день 100

4 Комнатные растения (в зависимости от размера) 5-20

5 Выстиранное белье Отжатое через центрифугу 50-200

Совершенно мокрое 100-500

Значительно увеличивают концентрацию оксидов углерода газовые плиты [199]. Доказано, что за 1,5-3 часа работы газовой плиты концентрация оксидов углерода значительно превышает предельно допустимую (иногда в 30-50 раз). И даже после выключения газовой плиты содержание окиси углерода несколько уменьшается, однако к исходным величинам иногда не возвращается и через 1,52,5 часа [37]. Избыток углекислого газа (более 1,5 %) и недостаток (менее 0,03 %) одинаково вредно сказываются на состоянии организма [28]. Во время работы газовой плиты температура воздуха в помещении увеличивается на 3-6 °С, а влажность на 10-15 % [37, 115, 130].

Повышенное содержание влаги при недостаточном воздухообмене приводит к появлению в помещении такого биологического загрязнителя, как плесень [118]. Грибы плесени присутствуют во всех жилых помещениях, но их споры достигают значительного количества в сырых и влажных местах. Появление плесени отрицательно сказывается на здоровье людей, особенно склонных к аллергии.

Другой вид биологического загрязнителя - бактерии легионеллы (Legionella pneumophila), которые попадают в воздух через системы кондиционирования, вдыхание которых приводит к заболеванию пневмонией или, как принято ее называть, «болезнью легионеров».

Характеристики основных внутренних источников загрязнения представлены в таблице 1.5 [115].

Современные строительно-отделочные материалы, в результате деструкционных процессов выделяют в воздушную среду фенол, формальдегид, стирол, хлористый винил, ацетон, ароматические углеводороды, алифатические спирты и др. (таблица 1.6) [115, 134, 176]. Малые концентрации формальдегида вызывают раздражение глаз, кашель, слезоотделение. При больших концентрациях может вызвать ощущение тошноты и отдышку. Также формальдегид обладает хронической токсичностью, негативно воздействует на наследственную генетическую и хромосомную мутацию, репродуктивные органы [134, 162].

Таблица 1.5 — Характеристики источников загрязнений воздуха помещений

Причины и источники загрязнений Загрязняющие вещества Примечания (ррш-частей на миллион)

Строительные материалы Органические соединения, асбест и искусственные волокна, формальдегид, пыль и раздражающие вещества

Результат жизнедеятельности человека Табак, летучие органические соединения, СО, раздражающие вещества и пестициды

Выделения при процессах горения СО, N02, летучие органические соединения, пыль, табак 10 ррш вызывают утомляемость, головную боль и иногда слезливость

Загрязнители, которые поступают в жилье извне СО, N02, пыль, радон, пестициды < 800 ррш - хорошая гигиеничность воздуха > 1000 ррт - недостаточная гигиеничность воздуха

Загрязнители, которые связаны с высокой влажностью и сыростью помещений Клещи, микроорганизмы и летучие органические соединения Риск роста биологических веществ, последствия конденсации воды

Запахи Недостаточная вентиляция, специфические загрязняющие вещества (плесень, материалы, из которых изготовлены оборудование или мебель) Запахи неизвестного происхождения могут повышать чувствительность к специфическим реагентам

Пыль Табачный дым, загрязненный наружный воздух Средний уровень концентрации пыли в обычных условиях: жилые помещения <0,1 мг/м3; учреждения 0,1-0,2 мг/м3

Таблица 1.6 — Классификация стройматериалов по их экологической опасности

№ Материалы Область применения Химические добавки Выделяемые токсичные вещества

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Сайфутдинова, Аделя Мусаяфовна, 2014 год

источников

Наименование помещений СНиП 2.08.01-89* [138] СНиП 31-01-2003 и СНиП 31-02-2001 [1421 ТР АВОК-4-2004 [167] СТО НП «АВОК» 2.12008 [157] СП 54.13330.2011 и СП 55.13330.2011 [150] (в режиме обсл.)

в нерабочем режиме в режиме обслуживания

Жилые комнаты 3 м3 в час на 1 м2 пола кратность 0,2 кратность 1 кратность 0,35, но не менее 30 м3/ч на человека кратность 0,35, но не менее 30 м3/ч на человека кратность 0,35, но не менее 30 м3/ч на человека

3 м3/м2 жилых помещений, если общая площадь квартиры меньше 20 м2/чел 3 м3/м2 жилых помещений, если общая площадь квартиры меньше 20м2/чел 3 м3/м2 жилых помещений, если общая площадь квартиры меньше 20 м2/чел

Кухни 60 м3/ч при электр. плите; 90 м3/ч при 4-конфорочной газовой плите с электроплитой кратность 0,5 с электроплитой 60м3/час 60 м3/ч при электр. плите; 90 м3/ч при 4-конфор. газовой плите; максимальный1,2 180 м3/ч; минимальный3 30 м3/ч при электр. плите, 45 м^/ч при 4-конфор. газовой плите 60 м3/ч при электр. плите, 90 м3/ч при 4-конфорочной газовой плите с электроплитой 60м3/час

с газоисп- щим оборудованием кратность 1 с газоисп- щим оборудованием кратность 1+100 м3 на плиту 100 м3/ч

Ванные комнаты, туалеты 25 м3/ч из каждого помещения; 50м3/ч при совмещенном с/у кратность 0,5 25 м3/ч 25 м3/ч из каждого пом. 50 м3/ч при совмещ. с/у; максимальный1'2 90 м3/ч из каждого пом. и 120 м3/ч при совмещ. с/у; минимальный3 10 м3/ч из каждого пом. 20 м3/ч при совмещ. с/у 25м3/ч из каждого помещения; 50м3/ч при совмещенном с/у 25м3/ч

Пости-рочные кратность 7 кратность 0,5 90 м3/ч максим.1'2 -кратность 5; миним.3 - кратность 1 кратность 5

Гардеробные, кладовые кратность 0,5-1,5 кратность 0,2 кратность 0,2 кратность 1 кратность 1 кратность 0,2

1 - кухонное оборудование, ванная комната и туалет используются 2 - для максимальных режимов следует принимать коэффициент одновременности 0,4-0,5 3 - кухонное оборудование, ванная комната и туалет не используются

Из таблицы 1.8 видно, что значения расчетного воздухообмена сильно отличаются. Различен и подход к нормированию.

В [153] рекомендуется: для квартир с жилой площадью менее 37 м (при электроплитах) и менее 47 м (при газовых плитах) производительность вытяжной вентиляции принимать исходя из нормы санузлов и кухонь; для квартир с жилой площадью 37 (47) м2 и более — по санитарной норме для жилых комнат. Приведенные площади квартир определены из условий равенства воздухообмена по санитарной норме и норме для кухонь и санузлов.

Рассмотрим подробнее величину 30 м3/ч на человека. Как отмечалось выше, предельным считается содержание 0,1% двуокиси углерода в воздухе помещений. В атмосферном воздухе крупных городов содержится 0,05 % С02. Человек при дыхании выделяет от 15 до 45 л/ч С02. Исходя из этих цифр, несложно вычислить необходимый «воздушный куб», т.е. санитарную норму объема помещения на одного человека. За основу можно взять количество двуокиси углерода, выделяемое человеком при выполнении легкого и умственного труда - 23 л/ч. Поскольку во внешнем воздухе уже содержится 0,05 % С02, то до предельного содержания во внутреннем воздухе помещения остается 0,1 - 0,05 = 0,05 % (0,5

3 3 3

л/м ). 23 л/ч : 0,5 л/м' = 46

м /ч. Таким образом, при однократном воздухообмене санитарная норма помещения на одного человека составит 46 м3. Очевидно, что уменьшение кратности воздухообмена приводит к увеличению «воздушного куба». Так, если в помещении не обеспечена одинарная кратность, а всего лишь 0,35, как предписывают нормы [151, 157, 167], то санитарная норма помещения будет равной 131,4 м3. Если принимать в расчет действующую в РФ норму жилой площади на человека 18 м2, то необходимая по содержанию диоксида углерода кратность воздухообмена будет примерно равна единице (18 м х 2,5-2,7 м {кпол) = 45-48,6 м на человека). По данным [81] чем меньше кубатура помещения, тем больше должна быть кратность воздухообмена.

Изменение концентрации двуокиси углерода в атмосферном воздухе также повлияет на эту величину. Для сельских мест с пониженным содержанием С02 величина «воздушного куба», а следовательно и величина воздухообмена может

быть меньше, нежели для крупных мегаполисов. При концентрации С02 в малых

л

городах 0,04 % величина «воздушного куба» будет равна 37,7 м при однократном воздухообмене.

Поставленные в климатической камере опыты с воздухообменом (М.С. Горомосов, H.A. Ципер) показали, что наилучшие физические показатели (температура кожи, частота пульса и теплоощущение) получаются при одно-полуторакратном воздухообмене в час [95]. Тогда как нормативные документы [143, 150, 151, 157, 167] предписывают для жилых помещений кратность 0,35. Следовательно, действующие нормы по воздухообмену не отвечают нормам ни по воздушному кубу, ни по санитарно-гигиеническим требованиям.

1.2.2 Нормирование естественной вентиляции квартир

Нормативная методика расчета естественной вытяжной канальной вентиляции [167] состоит из следующих пунктов:

1. Определение расчетного воздухообмена.

2. Определение величины гидростатического напора при температуре наружного воздуха +5 °С и температуре внутреннего воздуха при расчетных параметрах для холодного периода года. Скорость ветра при определении напора не учитывается в силу его изменчивости [143, 151]. Воздухообмен в другое время года никак не нормируется.

Тогда как в Казани температура наружного воздуха опускается ниже нормативной температуры +5 °С в среднем 200 дней в году, 37 дней в году температура наружного воздуха поднимается выше нормативной внутренней температуры воздуха [145, 158]. Согласно данным [56, 77] процент штилей в летние месяцы для Москвы и Казани составляет 6-17 %, а в остальное время характер изменения скорости и направления ветра имеют обоснованный характер. Многие ученые считают, что скорость и направление ветра оказывают более сильное воздействие на естественный воздухообмен зданий, нежели температура наружного воздуха [46, 60, 75, 82, 89, 95, 111]. По данным [82] при скорости ветра

4 м/с можно добиться 1,5 кратности воздухообмена (не учитывая тепловой напор). Все это подтверждает, что ветровой напор необходимо учитывать при проектировании вентиляции квартир. Очевидно, что для оптимального использования ветрового напора необходимо учитывать его уже на стадии проектирования [201], при определении ориентации здания и при разработке объемно-планировочного решения квартиры. Если в расчетах учитывать ветровой напор, то и характер протекания естественного воздухообмена в летнее время может стать научно обоснованным.

3. Определение достаточности величины полученного напора для преодоления сопротивления воздушного тракта проектируемой системы вентиляции [66]. При этом считается, что свежий воздух поступает в помещения в нормативном объеме через щели и неплотности в ограждениях, не учитываются потери давления на преодоление сопротивления наружных ограждающих конструкций (свободный приток свежего воздуха через открытые проемы), квартира представляет собой единый воздушный объем, скорость на входе в вентканал равна 0,5 м/с, а количество воздуха на входе в канал равно расчетному воздухообмену. Таким образом, учитываются лишь конструктивные особенности системы вентиляции (каналы).

В [150] указано, что системы вентиляции должны поддерживать чистоту (качество) воздуха в помещении и равномерность его распространения, однако, при этом нормы не дают ответа на следующие вопросы:

- СП считает, что воздух в «грязные» помещения поступает из комнат, он не решает задачу прихода воздуха в комнаты в течение всего года (через щели, клапаны и т.д.);

- не дает расчетов притока воздуха в помещения при любых климатических условиях и обеспечивается ли приток свежего воздуха в нормативном объеме (тем более равномерно по всей рабочей зоне);

- как перетекает воздух помещений от приточных отверстий до вытяжных (или до дверного проема);

- СП не ставит задачи смены воздуха по всей рабочей зоне помещения;

- существуют ли в помещениях застойные зоны;

- обеспечиваются ли санитарно-гигиенические требования по скорости движения воздушных потоков в обслуживаемой зоне помещений;

- как соотносятся между собой скорость движения воздуха в помещении и кратность воздухообмена;

- какой должна быть кратность воздухообмена, чтобы обеспечить равномерную смену воздуха в помещении без образования застойных зон (и соответствовать гигиеническим нормам);

- СП вносит ограничения по климатическим параметрам, но не дает ответа как будет действовать естественная вентиляция при других климатических условиях;

- скорость ветра безусловно влияет на располагаемый напор. Здесь важна и величина и его направление. Необходимо изучить долю ветрового напора в зависимости от ориентации здания.

Таким образом недостатком существующей нормативной базы является слишком узкое (ограниченное) представление о воздухообмене помещений и о его соответствии санитарно-эпидемиологическим нормам.

1.3 Обзор исследований по установлению необходимой величины

воздухообмена

Вопрос о необходимой величине воздухообмена с учетом всех источников загрязнений и воздействий до сих пор остается открытым для специалистов во всем мире [97, 105, 162, 184]. Так, в [154] рекомендуется для начала определять все вредности, образующиеся в помещении с учетом как внутренних, так и внешних источников, а затем определять величину воздухообмена с учетом их суммарного воздействия. Согласно стандарту Американского общества инженеров по отоплению, холодильной технике и кондиционированию воздуха ASHRAE Standard 62.1-2004 [13, 181] требуемый расход наружного воздуха должен определяться суммированием отдельных потоков воздуха, необходимых для ассимиляции теплоты, влаги и загрязняющих веществ, поступающих в

помещение от людей, материалов и технологических процессов. В связи с этим, общее количество наружного воздуха рекомендуется определять путем суммирования санитарной нормы свежего воздуха, приходящейся на 1 человека, и нормы подачи воздуха на единицу площади помещения.

С начала развития требований по вентиляции до начала XX века величина

л

воздухообмена на 1 человека была равной 51 м /ч [200]. Позже Биллнигс

л

утверждал, что эта величина должна быть увеличена до 102 м /ч. Примерно в это же время в 1967-1969 гг. врачи- гигиенисты, исследовавшие микроклимат помещений новых административных зданий на проспекте Калинина (Новый Арбат) в Москве рекомендовали увеличить норму воздухообмена с 40 м3/ч (первоначальную) до 150 м3/ч на человека. Это было связано с большим количеством жалоб сотрудников на ухудшение самочувствия. В результате испытаний в воздухе помещений было обнаружено огромное количество фенольных газов из-за использования древесно-стружечных плит при возведении шкафов [68]. Эти исследования послужили толчком для увеличения норм по величине удельного расхода приточного наружного воздуха, которая стала равной 60 м3/ч на человека для офисных помещений. По данным отечественных

"3

гигиенистов [76] при подаче в помещение 60 м /ч свежего воздуха на человека

л

ощущение дискомфорта наблюдается у 25 % испытуемых; при подаче 80 м /ч - у

л

5 %. В Швеции благоприятным считается показатель 40 м /ч на человека при

л

наличии в помещении курящих лиц и 60 м /ч в многоэтажных домах с плотно закрытыми окнами, а по мнению французских ученых воздухообмен должен составлять не менее 45 м3/ч на человека. В [81] рекомендована одинарная кратность воздухообмена, а также при удалении ванных комнат от наружных стен организовывать приток свежего воздуха и в них.

В [3] приведены многочисленные исследования величины необходимого воздухообмена в зависимости от объема помещения на человека и от концентрации углекислого газа. Некоторые авторы считают, что нормативный воздухообмен, принятый по разбавлению углекислого газа, можно считать достаточным для поддержания расчетных параметров воздушной среды в жилых

помещениях [36]. Тогда как в [58] указано, что показатель С02 является хорошим индикатором эффективности вентиляции, но не качества воздуха в целом.

В ряде скандинавских странах считается, что увеличение кратности воздухообмена свыше 0,8 1/ч не приводит к значительному улучшению качества внутреннего воздуха помещений [97]. Тогда как в [92] напротив приводятся данные о положительном влиянии увеличения расхода воздуха с 10 до 20 л/с-чел, что приводит к уменьшению синдрома больного здания. Здесь же в [213] указано, что существующие стандарты содержат требования подачи наружного воздуха, не приводя их гигиенического обоснования.

В сложившейся ситуации, когда растет число внутренних источников загрязнения, специалистам хорошо известна требуемая вентиляция для человеческого компонента, в то время как компонент здания задокументирован не очень хорошо [208].

В заключение раздела приводим данные о зарубежных нормах воздухообмена [6, 180, 181, 184] (таблица 1.9), где видно, что значения вентиляционного воздухообмена для разных стран сильно отличаются.

Таблица 1.9 — Нормы воздухообмена в жнлых зданиях по данным различных источников

Наименование помещений А. Беккер «Системы вентиляции» [6] Стандарт ASHRAE [177, 181] По данным [184] для различных стран Европы

Жилые помещения кратность 2-4 кратность 0,2-0,7 кратность 0,23-1,21

Кухни кратность 25-30 100 фт3/мин (170 м3/ч) 20,16-150,12 м'/ч

Санузлы кратность 8 50 фт^/мин (85 м3 /ч) 15,12-54,00 м'/ч

Следует отметить, что в ряде стран присутствует и такой показатель нормирования воздухообмена, как минимальный размер щели или вентилируемого отверстия в % от площади пола помещения. А Франция является единственной страной среди стран-членов ЕС, которая рассчитывает системы естественной вентиляции [97].

На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что нормирование величины воздухообмена требует дальнейших исследований.

1.4 Побудители естественного воздухообмена и их нормативный учет

Естественный воздухообмен помещений возможен только при наличии побудителей - теплового и ветрового напоров [9, 10, 97, 123, 156, 166, 210].

Тепловой напор создается при разности плотностей наружного и внутреннего воздуха [94] (рисунок 1.2). При любом расстоянии х от нейтральной зоны разность давления воздуха при тепловом напоре определяется по формуле 1.2 [117]:

АР,-х§{рн-рв), (1.2)

где р„ — плотность наружного воздуха (кг/м3);

Л

рв - плотность внутреннего воздуха помещения (кг/м ); зависит от назначения помещения и определяется по нормативным документам [142, 143, 138, 151];

х - расстояние от нейтральной зоны (м). а) б)

П

□

\

-

А

Рисунок 1.2 — Схема к определению теплового напора

а - при отсутствии вентиляции; б - при наличии естественной вытяжной канальной вентиляции

Поскольку в жилых зданиях массовой застройки имеет место вентиляционный воздухообмен, то при организации естественной вытяжной канальной вентиляции тепловой напор определяется по формуле 1.3 [6, 8, 11, 15, 47,48, 108,]:

^Р,=кё{рн-ре), (1.3)

где /г - расстояние от центра приточного отверстия до устья вытяжной шахты (м) (рисунок 1.2).

Вторым побудителем естественного воздухообмена является ветер. Динамическое давление, создаваемое ветром, определяется по формуле 1.4 [116, 117]:

АР.. =

РиV

(1.4)

где р„ - плотность наружного воздуха; V - скорость ветра, (м/с).

Однако, ветер, встречая препятствие в виде фасада, меняет характер течения [98, 113, 132], теряя часть напора. И тогда статическое давление, создаваемое ветром на поверхности фасада, определяется по формуле 1.5 [112, 116]:

АР. = к ■

РиV

(1.5)

где к - аэродинамический коэффициент с наветренной или заветренной стороны здания.

Аэродинамический коэффициент зависит от геометрической формы здания и от положения здания относительно направления ветра. На рисунке 1.3 схема для определения величины аэродинамического коэффициента для прямоугольного в плане здания [146].

V

О

А\В \ С

Рисунок 1.3 —Схема для определения аэродинамических коэффициентов

Здесь коэффициенты для различных зон равны:

А = -\\В = -0,8; С = -0,5; И = 0,8; Е = -0,5.

С наветренной стороны в зоне повышенного (положительного) давления возникает подпор воздуха, а с заветренной стороны в зоне разрежения (отрицательного давления) - отсос воздуха. С наветренной стороны аэродинамический коэффициент имеет положительный знак, а с заветренной —

отрицательный. Очевидно, что ветровой напор по-разному может влиять на воздухообмен помещений, в зависимости от объемно-планировочного решения квартиры и ориентации здания.

На рисунке 1.4 показаны схемы движения воздушных потоков в объеме помещения под действием теплового и ветрового напоров [6, 65, 77, 114].

« f «

Рисунок. 1.4 — Движение воздушных потоков в помещении при действии теплового (а) и ветрового (б) напоров

Ветровой напор может существенно повлиять на воздухообмен в помещении: на величину расхода воздуха и на траектории воздушных потоков [59]. Расчеты показывают, что величина напора, создаваемого ветром, при наиболее вероятных скоростях, и тепловой напор имеют одинаковый порядок [77, 114].

Также следует учитывать, что ветровой напор — величина векторная, и его значение будет зависеть от множества факторов: скорости ветра, его направления, ориентации здания, объемно-планировочного решения квартир и др. Тогда как температура воздуха является скалярной величиной, и тепловой напор будет возникать при наличии разницы температур независимо от расположения и ориентации здания в пространстве.

Необходимость учета совместного воздействия температуры наружного воздуха и скорости ветра при проектировании естественного воздухообмена в жилых зданиях подтверждается анализом нормативных документов, в которых рассчитываются близкие по смыслу тепло-воздухообменные процессы в зданиях.

Ниже, в таблице 1.10 показаны нормативные значения климатических параметров для задач, так или иначе связанных с воздухообменом. Здесь можно

отметить, что их значения различны, однако во всех случаях, кроме расчета естественной вентиляции ветер учитывается в расчетах.

Таблица 1.10 — Сравнительные характеристики учета природно-климатических условий местности, регламентируемые строительными нормативными документами для учета различных тепло-воздухообменных процессов

Тип расчета Нормативный документ Температура наружного воздуха, °С Скорость ветра, м/с

Естественная вентиляция - СНиП 2.08.01-89* «Жилые здания», 1999 г. [138]; - Справочное пособие к СНиП 2.08.01-89 «Отопление и вентиляция жилых зданий», 1990 г. [153]; - СНиП 31-01 -2003 «Здания жилые многоквартирные», 2003 г. [142]; - СП 54.13330.2011 «Здания жилые многоквартирные», 2011 г. [150]; - СНиП 2.04.05-91* «Отопление, вентиляция и кондиционирование», 2000 г. [137]; - СНиП 41-01-2003 «Отопление, вентиляция и кондиционирование», 2004 г. [143]; - СП 60.13330.2012 «Отопление, вентиляция и кондиционирование», 2012 г. [151]; - ТР АВОК-4-2004 «Технические рекомендации по организации воздухообмена в квартирах многоэтажного жилого дома», 2004 г. [167]; - СТО НП «АВОК» 2.1-2008 «Здания жилые и общественные. Нормы воздухообмена», 2008 г. [157] +5 -

Расчет воздухопроницаемости - СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий», 2004 г. [140]; - СП 23-101-2004 «Проектирование тепловой защиты зданий», 2004 г. [147] - СП 50.13330.2012 Тепловая защита зданий [148] -32 5,7

- СНиП П-3-79* «Строительная теплотехника», 1995г. [141] -32 5,7; для типовых проектов 5

Расход инфильтрующе- гося воздуха при проектировании систем отопления СНиП 2.04.05-91* «Отопление, вентиляция и кондиционирование», 2000 г. [137] теплый (А/Б) 22,8/27,3 холодный (А/Б) -18/-32 теплый 3,8 холодный 4

СНиП 41-01-2003 «Отопление, вентиляция и кондиционирование», 2004 г. [143] теплый (А/Б) 23,5/27,2 холодный (А/Б) -18/-32 теплый 3,8 холодный 5,7

Естественная вентиляция производствен, помещений - СП 60.13330.2012 «Отопление, вентиляция и кондиционирование», 2012 г. [151] расчетные параметры для периода года 1 м/с в теплый период года

1.5 Оценка работы естественной вентиляции в эксплуатируемых зданиях

Ряд экспериментальных исследований [28, 35, 41, 52, 65, 67, 88, 115, 135, 174] показывают неэффективную и нестабильную работу вытяжной канальной вентиляции с естественным побуждением, особенно в теплый и переходный периоды года, когда наблюдается опрокидывание тяги на верхних этажах, переток воздуха из лестничной клетки в квартиры верхних этажей при недостаточной их герметизации, недостаточная кратность воздухообмена [66, 85].

Натурные исследования, проведенные в [135] показали, что при температуре наружного воздуха +5 °С ни в одной из квартир не зафиксирован нормативный воздухообмен, а дефицит удаляемого воздуха составляет 5-40 %. Также наблюдалась значительная неравномерность расходов по этажам. Ниже в таблице 1.11 приведены результаты натурных измерений по данным [135].

Таблица 1.11— Результаты натурных исследований работы систем естественной вентиляции при = +5 °С, окна закрыты [135]

Параметры Этаж

1 2 3 4 5 6 7 8 9

санузел

1„°С 23,5 22,6 24,4 24,1 22,4 22,9 24,6 24,0 23,4

ъ в выт. решетке, м/с 0,2 0,19 0,19 0,14 0,16 0,14 0,17 0,15 0,15

Ь, м3/ч 45 43 43 41 35 32 39 35 33

кухня

tв,0C 22,9 22,0 23,7 22,8 21,6 22,1 23,9 23,4 22,7

ъ в выт. решетке, м/с 0,29 0,2 0,27 0,25 0,17 0,19 0,23 0,23 0,29

и м'/ч 64 44 62 56 37 42 51 52 66

В работе Воробьевой Ю.А. [28] установлена взаимосвязь между износом систем естественной вентиляции жилых зданий массовой застройки и микроклиматом помещений. Так, при увеличении износа систем вентиляции более 15 %, естественный воздухообмен практически прекращается. Тогда как при достаточно большом износе ограждающих конструкций и систем вентиляции, естественный воздухообмен приближается к нормативным значениям за счет

увеличения притока через неплотности в ограждающих конструкциях (в нижней части ограждения воздух поступает в помещение, в верхней удаляется). Автор призывает принять возраст жилья и физический износ систем вентиляции и ограждающих конструкций здания в качестве основных причин снижения воздухообмена. Ниже в таблицах 1.12-1.13 приведены некоторые результаты натурных испытаний [28, 115].

Таблица 1.12 — Результаты замеров скорости движения воздуха, м/с, на первом этаже жилых пятиэтажных зданий в зависимости от степени износа ограждающих конструкций

Серия Износ, % Н омер точки измерения

1 2 3 4 5 6 7

1-447С 40 0,42 0,42 0,37 0,22 0,37 0,54 0,42

1-464А 35 0,37 0,43 0,35 0,21 0,27 0,46 -

1-464А 15 0,05 0,08 0,08 0,08 0,05 0,13 -

Из таблицы 1.12 видно, что при износе ограждающих конструкций 35 % и более скорости превышают нормативно-допустимые значения. При этом максимальные значения наблюдаются в части помещения, прилегающей к наружному ограждению. В данном случае, приток и вытяжка осуществляются неорганизованно через всю поверхность наружного ограждения за счет его износа. Очевидно, что наличие сквозняков в обслуживаемой зоне помещения обусловлено тем, что приток осуществляется хаотично и неорганизованно.

Результаты экспериментов (таблица. 1.13 [115]) показывают, что работа системы естественной вентиляции наиболее эффективна в холодный период года в режиме проветривания на нижнем этаже. При закрытых окнах воздухообмен значительно снижается. Ни в одном случае не наблюдается вытяжка воздуха в нормативном объеме. Наблюдается приток воздуха через вытяжную шахту, что является грубым нарушением гигиенических требований. Однако данные экспериментальные исследования не дают ответа о траекториях воздушных потоков в объеме квартиры, о наличии застойных зон, о распределении скоростей в рабочей зоне помещения, о взаимосвязи объема вытяжки с планировочным решением квартиры, с ее ориентацией относительно ветра.

Таблица 1.13 — Результаты натурных обследований квартир, расположенных на 1-м, 5-м и 9-м этажах 9-ти этажного жилого дома

Этаж Результаты, полученные на кухне Результаты, полученные в с/у

Период исследования Положение оконных проемов Период исследования м/с м /ч

Закрыты Режим п роветр-ния

м/с м3/ч м/с м3/ч

1 Холодный 0,68 40,0 1,3 77,2 Холодный 0,61 36,2

Переходный 0,55 33,0 1,0 60,0 Переходный 0,55 32,6

Теплый 0,23 13,6 0,59 35,0 Теплый 0,40 23,7

5 Холодный 0,39 23,1 0,57 33,8 Холодный 0,59 35,0

Переходный 0,24 14,2 0,29 17,2 Переходный 0,43 25,5

Теплый 0,14 8,36 0,22 13,0 Теплый 0,30 17,8

9 Холодный 0,31 18,4 0,47 27,9 Холодный 0,36 21,4

Переходный - - 0,12 7,1* Переходный - -

Теплый 0,2 12,0 0,32 19,0* Теплый 0,19 12,2

* - наблюдался приток воздуха через вытяжную решетку

Наиболее благоприятными с точки зрения воздухообмена являются квартиры двусторонней ориентации [82]. Здесь важна не только схема проветривания при разной планировке квартиры, но, в первую очередь, схема благоприятная в санитарно-гигиеническом отношении [49].

Натурные исследования [20, 26, 161] показывают, что во всех квартирах двусторонней ориентации скорость воздуха в оконных проемах на порядок выше, чем в односторонних квартирах (таблица 1.14). В середине помещения скорость уменьшается в два раза. И даже в этом случае она превышает нормативную, но, как было показано ранее, в условиях повышенной температуры воздуха помещений комфортного состояния можно достичь только при повышенной подвижности воздуха (от 1,5 до 3 м/с).

Таблица 1.14 — Скорости движения воздуха в оконных проемах по анемометрическим замерам

Тип квартиры Скорость воздуха в оконных проемах, м/с

с односторонним проветриванием 0,25-0,6

с двусторонним проветриванием 2,2-2,6

Исследования естественного воздухообмена зданий, проведенные В.Е.

Константиновой [67], показали, что значительное перетекание воздуха на лестничную клетку наблюдается из многокомнатных квартир, имеющих большую

поверхность окон, а перетекание воздуха из лестничной клетки - через квартиры верхних этажей и через малые (однокомнатные) квартиры всех этажей здания, имеющих малую поверхность окон. Поскольку эксперименты проводились в квартирах с ограждающими конструкциями повышенной воздухопроницаемости, можно предположить, что в первую очередь это связано с количественной величиной воздухообмена - достаточный приток наружного воздуха предотвращает перетекание загрязненного воздуха из лестничной клетки в квартиры.

Аналитические исследования, проведенные в [82], показывают, что при равном распределении площади оконных проемов с наветренной и заветренной сторон, количество инфильтрующегося в квартиру воздуха получается больше, чем при неравном распределении.

Положительное влияние на температурное поле помещений оказывает лоджия [90], но усиленная герметизация последних приводит к еще большему снижению воздухообмена.

Аналитические исследования, выполненные в [22, 93], показывают неудовлетворительную работу естественной вытяжной канальной вентиляции в определенные периоды года. Так, для условий Санкт-Петербурга 50 % времени вентиляция меньше расчетной (при +5 °С), в том числе 13 % времени вполовину и более раз, а 2 % времени вентиляция полностью отсутствует. Однако здесь учитывался режим свободного притока воздуха (открытые окна) и условие, что при расчетной температуре наружного воздуха +5 °С обеспечивается нормативный воздухообмен, т.е. учтен годовой ход изменения величины теплового напора без учета ветрового, а также не учитывалась фактическая величина воздухообмена. Видно, что даже при таких допущениях, естественная вентиляция не способна обеспечить санитарно-гигиенические параметры внутреннего воздуха в течение всего года. Для обеспечения должного воздухообмена во всей рабочей зоне помещений, расчетные параметры должны быть максимально приближены к реальным, т.е. учтено фактическое количество приточного воздуха с учетом воздухопроницаемости оконных конструкций,

необходимо учитывать ветровой напор, объемно-планировочные и конструктивные решения квартиры, а также необходимо вести учет изменения подвижности воздуха внутри помещения при различной величине воздухообмена.

Здесь же [22] в результате экспериментальных исследований установлено, что при закрытых дверях с подрезкой по низу полотна 2 см (как рекомендуют нормы [153]) эффективность вентиляции снижается. В данном случае испытания проводились при механическом побуждении притока, и было установлено, что, чем ниже производительность приточного вентилятора, тем существеннее эта разница. Ниже, в таблице 1.15, показана процентная разница расходов при открытых и закрытых (с подрезкой не менее 2 см) межквартирных дверях.

Таблица 1.15 — Эффективность вентиляции квартир при различной производительности приточного вентилятора

Расход в режиме закрытых дверей, м3/ч Расход в режиме открытых дверей, м3/ч Разница, %

160 230 43,75

216 286 32,41

195 309 58,46

353 435 23,23

456 585 28,29

640 615 -3,91

785 805 2,55

Из таблицы 1.15 видно, что разницей можно пренебречь только при достаточно высокой производительности вентиляции. Таким образом, соблюдение рекомендаций норм [153] по подрезке дверных полотен не может обеспечить нормальное перетекание воздушных потоков из помещений квартиры, что приведет к образованию застойных зон.

Приведенные выше результаты экспериментов показывают взаимосвязь процессов воздухообмена с объемно-планировочными и конструктивными решениями квартир — квартиры односторонней ориентации и со сквозным проветриванием, этаж расположения квартиры, конструктивные решения притока, герметичность входных дверей и пр.). Однако все эти данные носят хаотичный характер. Очевидно, что для применения этих знаний необходимы дополнительные систематизированные исследования. Необходимо

проанализировать влияние объемно-планировочных решений на траектории и скорости воздушных потоков, на образование застойных зон. Для получения такого рода данных необходимо помимо натурных исследований провести численное моделирование.

Огромное влияние на работу естественной вентиляции оказывает воздухопроницаемость наружных ограждающих конструкций [40, 41, 87, 106, 126, 168, 183, 190]. Установлено, что естественная вентиляция может обеспечить до 0,5-1 кратности воздухообмена [6, 21, 81, 89, 95, 98], однако применение герметичных окон снижает эту величину на порядок (до 0,1-0,2) [30, 101, 118, 129].

При неорганизованном притоке (как регламентируют нормы) свежий воздух попадает в помещения за счет воздухопроницаемости оконных конструкций и инфильтрации через неплотности в ограждающих частях здания. Особый интерес представляют оконные конструкции, т.к. доля воздухопроницаемости стеновых ограждений в общем количестве притока очень мала [14]. Нормы по

воздухопроницаемости оконных конструкций со временем уменьшаются - 18

2 2 2 кг/(м -ч) 1971 г., 10 кг/(м -ч) 1979 г., 5 кг/(м -ч) 1998 г., а условие, что воздух

поступает через неплотности в окнах так и остается в силе. При имеющейся

3 2

воздухопроницаемости современных окон 17 м /ч на м [33], для обеспечения

л

одинарной кратности воздухообмена двухкомнатной квартиры, площадью 54 м необходим перепад давлений 135 Па! С повышением герметичности ограждающих конструкций до уровня «подводной лодки» [27, 155] полностью перекрылся приток свежего воздуха в помещения. Необдуманное повсеместное применение герметичных окон привело к увеличению заболеваемости жильцов, образованию плесени в квартирах и росту судебных исков о некачественном жилье [52, 73, 85, 109, 155, 162, 165]. С увеличением опыта использования герметичных окон пришло понимание необходимости организации дополнительного притока [164]. Применение механической или естественной приточно-вытяжной вентиляции стало нормой в элитном жилье [63]. Однако изменения не коснулись жилья массовых серий - здесь по-прежнему в целях

экономии устраивается вентиляция без организованного притока [61]. Известно ряд работ [27, 69, 84, 86] в которых в качестве решения проблемы рекомендуется введение системы воздушного отопления зданий.

Установлено, что на естественную вентиляцию зданий положительно влияют крышные вентиляторы и дефлекторы [67, 92, 144, 172]. Дефлекторы создают дополнительную тягу в канале за счет действия ветра. Величина тяги этом случае не зависит от направления ветра, а только от его скорости. В результате экспериментальных исследований [67] выявлено что, если система вентиляции объединяет квартиры со сквозным проветриванием и квартиры без сквозного проветривания, установка дефлекторов является эффективной, а применение дефлекторов для систем вентиляции, обслуживающих только двусторонние квартиры, не рекомендуется из-за сильного увеличения воздухообмена. При отсутствии дефлекторов в летний период года наблюдается перетекание воздуха из заветренных квартир со сквозным проветриванием в односторонние наветренные, а при наличии дефлектора система вентиляции начинает работать эффективно. Не рекомендуется объединение в одну систему каналов квартир без сквозного проветривания, ориентированных на противоположные стороны света, ввиду опасности перетекания воздуха по вытяжной системе из наветренных квартир в заветренные.

Несмотря на очевидную выгоду от применения дефлекторов, хорошо развитую теорию, массовое производство, широкий ассортимент и низкую стоимость, применение дефлекторов резко уменьшилось в 90-е годы прошлого столетия [172]. Дефлекторы должны располагаться на самой высокой точке здания. В этом случае при любой скорости ветра давление в вытяжной шахте будет всегда меньше среднего давления на фасаде здания. Дополнительное давление, создаваемое дефлектором можно вычислить по формуле 1.6:

АРдеф=0,5 С Р,о2 . (1.6)

где С — коэффициент давления (разрежения), равный отношению разности полного давления в вентиляционном канале и статического давления снаружи него к скоростному напору.

Наиболее хорошо себя зарекомендовали дефлекторы серии ДС. Коэффициент разрежения С для такого дефлектора равен 0,75 при отклонениях направления ветра от горизонтальной плоскости не более 30° и 0,6 при отклонениях до 60°. В таблице 1.16 приведены данные для определения эффективности дефлектора серии ДС при следующих погодных условиях: температура воздуха 25 °С, относительная влажность 50 %, плотность воздуха 1,177 кг/м3 [172].

Таблица 1.16- Эффективность дефлектора ДС

Скорость ветра, м/с 5 7 10

Дополнительное ветровое разрежение, Па 11,0 21,6 44,1

К сожалению, лишь небольшая часть жилых зданий снабжается дефлекторами. Очевидно, что их обязательное применение положительно сказалось бы на воздухообмене квартир.

1.6 Анализ дополнительных приточных устройств по увеличению

притока свежего воздуха

Очевидно, что в сложившейся ситуации особое значение имеют решения по организации притока свежего воздуха, применяемые в жилых зданиях. Если нет притока, то нет и вытяжки - это основное правило вентиляции [62, 106]. Современный строительный рынок предлагает множество решений, как с применением дополнительных приточных устройств, монтируемых в наружные ограждающие конструкции, так и конструктивные решения самих ограждений, имеющие возможность регулирования притока [12, 16, 18, 19, 23, 24, 38, 74, 79, 82, 87, 116, 127, 155, 163, 170, 171, 178, 179, 186, 205].

В таблице 1.17 представлены некоторые конструктивные решения дополнительных приточных устройств. Более подробный перечень устройств приведен в приложении А.

Таблица 1.17 — Устройства и конструктивные решения по притоку свежего воздуха, применяемые при естественной вентиляции жилых зданий

Наимено- Место Стадия Геомет- Расход Подогрев Уп- Шумо- Примечания

вание установ- монтажа рические воздуха, прит. рав- защи-

ки параметры, мм м3/ч воздуха, мощность ле-ние та

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Прит. верхняя строит- 423х40х АР=10Па, нет автом 42 дБ работает при

клапан часть во, 42(11) L=3-35; действующей

Aireco окна рекон- закр. вент, цвета

ЕНА2 струк., экспл. ДР=10Па, L=2,2 дуб, белый, тик, серый

Система стена, строит- круглый 13-80 рекупера- ручн. собств. лучше

прит.-выт. лучше на во, или тор, не шум устанавли-

вент, с уровне рекон- квадр. более 15 не вать по 2шт

рекуп. верхней струк., канал в Вт на более на комн.

тепла части эксплуа- стене вент-р 15дБА

СПВВР окна тация с!=225

Клапан стена, строит- круглый АР=2-30 нет ручн. есть фильтр, возм.

инф. лучше на во, канал в Па, минимально-

воздуха уровне рекон- стене L=3,6-54 го проветрив.

КИВ-125 верхней части окна струк., эксплуатация <1=175, стена до 1000мм

Звукоизо- под окон. строит- 250- ДР=10Па, нет, но ручн. 51-58, доработан.

ляц. про констр. во, 500x100( L= 16-50 можно зави- может

ветрива- рекон- Ь) закрытый вмонтиро- сит от работать на

тель струк- длина L менее 1 вать реку- расхо- приток и

AERO ция 600-3000 ператор да вытяжку

МАТ VT одновр., цвет белый или заказ.

Устройс- стена, строит- круглый 13- 80 рекупера- ручн. собств. лучше

тво прит- лучше на во, канал в тор, не шум устанавли-

выт. уровне реконс., стене более 19 пульт не вать по 2шт

вент. верхней эксплуа- (1=225 Вт на ду более на комн.

УВРК- части тация вент-р 40дБА

50М окна

Универс. стена строит- 490x178х 10 есть ручн. 52дБА фильтр,

проветри- во, х467(Ь) ступеней макс. пульт удаление

ватель реконс., регул. 35Вт ду отработ.

AEROVI- эксплуа- 15-55 возд, регул

TAL • тация влажн и темп. пом.

Среди них есть устройства, монтируемые в наружные стены, в оконные конструкции; устройства с подогревом приточного воздуха и без; с рекуперацией

тепла и без; автоматического действия и требующие включения вручную; с постоянным притоком и регулируемым; с различным уровнем шумоизоляции. Основная задача этих приточных устройств - это увеличить объемы приточного воздуха. Величина расхода и становится определяющей при выборе приточного устройства при проектировании естественной вентиляции квартиры. Однако этого не достаточно для обеспечения санитарно-гигиенических требований.

Санитарно-гигиенические документы определяют не только количественную величину воздухообмена, но и такие требования, как подвижность и температуру воздуха в рабочей зоне помещения, смену воздуха в нормативном объеме по всей рабочей зоне, без образования застойных зон.

Немаловажным параметром является и температура приточной струи и ее дальнобойность. Таким образом, надо не просто организовать приток свежего воздуха в необходимом количестве, но и обеспечить при этом комфортность пребывания человека в помещении при применении приточного устройства.

Помимо специальных приточных устройств, которые монтируются в стену или окна, существуют примеры увеличения воздухопроницаемости ограждающих конструкций за счет незначительных доработок [12, 155]. Ниже представлены некоторые из них более подробно.

Так, при увеличении воздухопроницаемости за счет щеточного уплотнителя изменяется конструкция окна - из пластикового профиля Veka Softline AD частично вынимают уплотнитель. При этом обеспечивается зазор приблизительно в 2 мм между профилями коробки и створки. Чтобы избежать чрезмерной инфильтрации, рассчитывается длина части стандартного уплотнителя, подлежащего замене [12].

Регулировать воздухопроницаемость оконных конструкций можно также за счет вентиляционной заслонки, установленной в профиль. При повышенных давлениях, заслонка автоматически закрывается (рисунок 1.5).

Ш IR

Рисунок 1.5 — Вентиляционная заслонка системы Gealan Clima Control.

Слева - заслонка в открытом положении, справа - заслонка в закрытом положении

Фирма ЕХРЬЮБ (г. Тюмень) разработала внутрипрофильную систему приточной самовентиляции за счет применения в конструкции оконного блока «широкой» коробки 8358.07. Система самовентиляции обеспечивает постоянный воздухообмен, не нарушая нормативные требования, предъявляемые к оконным блокам по тепло- и шумоизоляции [155]. Четыре отверстия в нижней части блока соединяют камеру с улицей, а 18 отверстий, выполненных в верхней части блока, выполненных в шахматном порядке, соединяют ее с помещением. Прежде чем попасть в комнату наружный воздух проходит длинный путь внутри профиля, постепенно нагреваясь, а за счет увеличения сечения на выходе резко снижается скорость потока. За счет этого исключается шум и сквозняк, даже при сильном ветровом подпоре с улицы.

Отдельную группу представляют вентиляционные заслонки и планки, входящие в профильные системы. Вентиляционная планка Вп^тапп, так же как и рама, и створка, представляет собой многокамерный профиль. В зависимости от потребности в свежем воздухе, открывается необходимое количество отверстий, просверленных в планке. Отверстия защищены от насекомых сеткой [12]. Семеновой Э.Е. [128] предложена конструкция стены, через которую обеспечивается приток очищенного воздуха с рекуперацией тепла.

На рисунке 1.6 показаны некоторые решения по притоку свежего воздуха через наружную стену в подоконной части [82, 83, 166]

а)

б)

в)

Чистый пол

Рисунок 1.6 — Некоторые решения по притоку свежего воздуха через наружную стену

в подоконной части:

а - подоконный прибор для притока воздуха в действии; б - бетонная отопительная панель с двусторонней теплопередачей и приточным каналом (1 - отопительный прибор, 4 -приточный канал, 5 - клапан, 6 - металлический экран); в - децентрализованный приток воздуха с подогревом его отопительным прибором

Таким образом, технические возможности по обеспечению притока свежего воздуха на сегодняшний день очень разнообразны. Это могут быть как отдельные устройства, с возможностью монтажа при эксплуатации помещения, так и конструктивные решения ограждающих конструкций с возможностью применения только на стадии строительства или при реконструкции зданий. Некоторые из них работают только при достаточном перепаде давлений, т.е. являются частью естественной вентиляции, а некоторые можно отнести к принудительной вентиляции.

К каждому из устройств можно найти массу информации о технических характеристиках, о конструктивных особенностях, о тонкостях монтажа, однако нет информации о совместимости с объемно-планировочными решениями зданий. Нет информации о совместной работе приточного устройства с вытяжкой, обеспечивается ли замена воздуха всей рабочей зоны, нет ли застойных зон, как соотносятся объемы удаляемого воздуха со скоростью воздушных потоков. В этой области необходимо провести дополнительную исследования возможностей приточных устройств в зависимости от типа квартиры, от природно-климатических условий места строительства, от функционального назначения

помещения (помещения с постоянным пребыванием людей и без, детские комнаты) и др.

1. 7 Выводы по обзору и анализу литературы. Формулирование цели и

задач работы

Обзор и анализ научной литературы позволил установить высокую социальную и экономическую значимость обеспечения чистым воздухом помещений зданий. Загрязненный воздух помещений снижает производительность труда, увеличивает потери времени по нетрудоспособности, что приводит к большим экономическим потерям.

Установлены большие расхождения в нормировании воздухообмена. Кратность воздухообмена в жилых помещениях изменяется от 0,2 до 4. Рекомендуемая скорость движения воздуха в помещениях изменяется от 0,05 до 0,6 м/с, то есть в 10 раз и т.д. Установлено, что воздух жилых помещений в 4-5 раз более загрязнен, чем атмосферный.

Обзор и анализ работ позволил разделить два понятия: естественная вентиляция и естественный воздухообмен.

Естественная вентиляция определяется официально утвержденными нормами, в которых рассматриваются располагаемый напор, сопротивление в вытяжных каналах и объем удаляемого воздуха. При этом многие вопросы, необходимые для организации естественного воздухообмена, остаются вне внимания норм по естественной вентиляции.

Так, например, располагаемый напор определяется только тепловым напором при температуре наружного воздуха +5 °С. Располагаемый напор в другие сезоны, а следовательно и уровень воздухообмена, остаются неопределенными. Нормы не учитывают ветровой напор. Без каких-либо обоснований скорость воздушного потока при входе в вытяжной канал не рассчитывается, а принимается равной 0,5 м/с.

Нормы не контролируют перетекание воздуха из жилых комнат в «грязные» помещения (кухни, санузлы) к вытяжным каналам, что часто приводит к

обратным перетеканиям воздуха из «грязных» помещений в жилые комнаты при недостаточной тяге. Расчет естественной вентиляции типовой квартиры по методике нормативных документов дает результат не соответствующий санитарно-гигиеническим требованиям.

Естественный воздухообмен в настоящее время не определен нормативными документами. Это более широкое понятие, в котором естественная вентиляция является лишь его частью.

Воздухообмен рассматривает движение воздуха по всей рабочей зоне помещений и квартиры в целом; траектории и скорости движения воздушных потоков по квартире от приемных отверстий до вытяжных; наличие и расположение застойных зон воздуха в зависимости от объемно-планировочных и конструктивных решений квартир.

Естественный воздухообмен решает задачу обеспечения свежим воздухом помещений на протяжении полного года, для чего учитывает статистику годового хода побудителей естественного воздухообмена - температуру воздуха и скорость ветра.

В целом естественный воздухообмен должен рассматривать жилую квартиру как систему, где учтены объемно-планировочные решения квартиры, конструктивные решения притока и вытяжки и их расположение по объему квартиры, траектории и скорости воздушных потоков, отвечающие санитарно-гигиеническим требованиям. Все это должно поддерживаться по всей квартире в течение календарного года.

В связи с изложенным, целью настоящей работы является: установление закономерностей естественного воздухообмена жилых помещений с учетом параметров климата и объемно-планировочных решений квартир и разработка на этой основе рекомендаций по совершенствованию воздухообмена жилых помещений.

Для достижения поставленной цели требуется решение следующих задач: 1. Исследовать закономерности изменения теплового и ветрового напоров в течение года и разработать на этой основе методы определения расчетных

значений температуры и скорости ветра для оценки годового хода располагаемого напора и объемов приточного воздуха.

2. Исследовать качественные характеристики воздухообмена жилых помещений в зависимости от параметров климата и объемно-планировочных решений квартир и разработать на этой основе метод количественной оценки показателей качества воздухообмена жилых помещений.

3. Исследовать влияние дополнительных приточно-вытяжных устройств на качественные характеристики воздухообмена в жилых помещениях.

4. Разработать рекомендации по повышению эффективности воздухообмена жилых помещений на стадии проектирования квартир.

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ГОДОВОГО ХОДА РАСПОЛАГАЕМОГО НАПОРА, КАК ПОБУДИТЕЛЯ ЕСТЕСТВЕННОГО ВОЗДУХООБМЕНА

Располагаемый напор (АР) определяется суммой двух величин - теплового (APt) и ветрового (АР,,) напоров, значения которых изменяются в течение года, соответственно, изменяется и их влияние на процессы воздухообмена. Величина теплового напора изменяется в течение года по одним законам в соответствии с изменением наружной температуры (/„), а величина ветрового напора - по другим закономерностям, зависящим от скорости ветра, его направления, аэродинамики среды застройки, архитектуры и ориентации здания и его этажности. В разные периоды года сочетание APt и АРЬ будет различным, а их сумма в каждый момент времени определяет величину располагаемого напора и расхода приточного воздуха.

2.1 Годовой ход величины теплового напора. Метод определения расчетных параметров температуры наружного воздуха

Как уже отмечалось выше, величина теплового напора {АР) зависит от разности плотностей или удельных весов наружного (рн или ун) и внутреннего (рв или ув) воздуха и расстояния от центра приточного отверстия до устья вытяжной шахты (h). Для оценки изменчивости теплового напора в течение года необходим статистический анализ температуры наружного воздуха.

Анализ справочной литературы [136, 152, 158] показал, что температура наружного воздуха имеет ярко выраженные колебания суточного и годового циклов. Амплитуда суточных колебаний, например, для Казани, согласно [158] может изменяться от 5,2 до 11,9 °С в зависимости от месяца. Годовой ход среднемесячных температур изменяется от -13,5 °С в январе до +19,1 °С в июле.

Используя статистические характеристики по климатическим параметрам можно получить величину теплового напора для каждого месяца. Анализ годового хода температур наружного воздуха и зависимости располагаемого

напора от этой температуры привел к необходимости введения ежемесячных расчетов располагаемого напора по среднемесячным значениям температур наружного воздуха. Такие расчеты для Казани представлены в таблице 2.1. Поскольку тепловой напор зависит и от этажности здания, и от номера этажа здесь же представлены результаты расчета теплового напора для 1, 5 и 9-го этажей 9-ти этажного здания, которые будут использованы в дальнейших расчетах. В качестве рв принята плотность внутреннего воздуха при температуре равной нормативной 20 °С; а g(pн-Рц) характеризует избыточное давление (Па) на 1 м высоты столба Н.

Таблица 2.1 — Годовой ход температуры наружного воздуха и величины теплового напора для Казани (среднее по месяцам) для 9-ти этажного здания

Показатели Месяцы

I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII

ÍH -13,5 -13,1 -6,5 3,7 12,4 17,0 19,1 17,5 11,2 3,4 -3,8 -10,4

Рн 1,360 1,358 1,325 1,276 1,237 1,217 1,208 1,215 1,242 1,277 1,311 1,344

(рн-рв) 0,156 0,154 0,121 0,072 0,033 0,013 0,004 0,011 0,038 0,073 0,107 0,14

К(рн-рв) 1,53 1,51 1,187 0,706 0,324 0,128 0,04 0,108 0,373 0,716 1,05 1,373

АР, при /7=28,6м (1эт) 43,76 43,19 33,95 20,19 9,27 3,66 1,14 3,09 10,67 20,48 30,03 39,27

АР, при /?=15м (5эт) 22,95 22,65 17,81 10,59 4,86 1,92 0,60 1,62 5,59 10,74 15,75 20,59

АР, при /г=4,3м (9эт) 6,58 6,49 5,10 3,04 1,39 0,55 0,17 0,46 1,60 3,08 4,51 5,90

Годовой ход теплового напора по предложенному методу в сравнении с нормативной величиной (при +5 °С) представлен на рисунке 2.1.

50

а. о

>5

О

са о ч е

Н

1 эт. Л эт.

9 эт. Ч / 9 эт.

I II III IV V VI VII VIII

- по предложенному методу;

- по нормам при +5°С;

IX

X XI XII

Месяц года

Рисунок 2.1 — Годовой ход теплового напора по предложенному методу в сравнении с нормативной величиной (при +5 °С)

Из таблицы 2.1 и рисунка 2.1 видно, что величина теплового напора на первом и девятом этажах различаются более чем в 10 раз, а между июлем и январем почти в 40 раз. Эти значения еще раз убеждают в том, что единое значение величины теплового напора = +5 °С для всех сезонов года не дает реальной картины воздухообмена.

2.2 Годовой ход величины ветрового напора. Метод определения расчетных параметров скорости ветра

Классический анализ ветрового режима по «розе ветров» для решения задач воздухообмена помещений является неполным. Требуется более детальный статистический анализ.

В таблице 2.2 представлены статистические данные о направлении ветра (в %) по месяцам для условий г. Казани [152].

Таблица 2.2 — Направление ветра в % по месяцам для г. Казани

Месяцы Румбы

С св В ЮВ ю ЮЗ 3 СЗ

Январь 9 5 9 Ш Ш 15 14 10

Февраль 12 8 2 ш ш 14 10 10

Март 7 4 4 щ Ш Ш 16 6

Апрель 7 6 10 15 ш т 13 9

Май 14 12 12 11 11 12 Ш 12

Июнь 11 7 10 10 9 15 ш 15

Июль 13 12 10 10 11 11 Ш ш

Август 8 10 13 14 12 12 15 еда»* 1

Сентябрь И 5 6 14 15 14

Октябрь 5 3 2 13 1 |д ш 9

Ноябрь 10 3 3 14 1 ш 15 12

Декабрь 9 6 7 ш ш ш 8 11

Год 9 7 8 14 17 18 15 12

По данным таблицы можно видеть четко выраженный годовой ход направлений ветра с вероятностью 16 % и выше. Так, направление ветра меняется от ЮВ и Ю в январе, феврале, через Ю и ЮЗ в марте, апреле, 3 и СЗ в мае-сентябре и обратно до ЮВ направления в декабре. Графически это представлено

на рисунке 2.2. Для целей проектирования естественного воздухообмена обратим внимание на тот факт, что большую часть года (8 месяцев) преобладающие ветра имеют направление ЮВ, Ю, ЮЗ. Это означает, что окна жилых комнат, ориентированные в этом направлении для «улавливания ветрового напора», обеспечат усиление воздухообмена.

Рисунок 2.2 — Годовой ход преобладающих направлений ветра по месяцам для г. Казани

1 - здание широтной ориентации; 2 - квартира односторонней ориентации; 3 - квартира

двусторонней ориентации

На рисунке 2.1 также показано здание широтной ориентации (1), квартира односторонней ориентации (2) и квартира двусторонней ориентации (3). Такое расположение квартир и здания в целом является наиболее удачным как с точки зрения максимальных ветровых воздействий, так и по обеспечению инсоляции жилых помещений [149]. Стоит отметить, что в квартирах двусторонней ориентации кухни стоит ориентировать на заветренную сторону, чтобы обеспечить дополнительный подпор из чистых помещений в «грязные».

Следующим важным элементом в оценке ветрового напора является величина расчетной скорости ветра, которая может быть определена из статистических данных по скорости ветра различной величины. В таблице 2.3 представлены данные по вероятности ветра различной скорости для г. Казани

С

3

ю

Таблица 2.3 — Вероятность ветра различной скорости (%)

Скорость, м/с Месяцы

I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Год

0-2 30 32 26 28 31 34 38 40 31 35 24 24 30

3-4 20 29 25 27 22 26 28 28 23 27 31 25 26

5-6 22 20 22 20 24 23 21 22 25 24 24 30 23

7-8 13 11 15 12 13 12 8 5 12 12 12 12 12

9-10 11 7 8 10 7 4 3 3 6 9 6 7 7

11-14 3 1 3 3 3 1 2 2 2 3 3 2 2

>15 1 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0

Из таблицы 2.3 видно, что вероятность ветра различной скорости по месяцам не имеет больших расхождений, в связи с чем без большой ошибки в расчетах можно использовать среднегодовые значения. Среднегодовые значения показывают, что половина года (26 + 23 = 49 %) ветер в Казани имеет скорость от 3 до 6 м/с. Очевидно в этом интервале и должна находиться статически обоснованная расчетная скорость ветра. Причем 21 % от продолжительности года (2,5 месяца) скорость ветра превышает 6 м/с, что значительно увеличивает ветровой напор, поскольку в расчетную формулу скорость ветра входит в квадрате (и2).

Таким образом, 70 % продолжительности года (49 + 21 = 70 %) ветровой напор может способствовать процессам воздухообмена.

Дальнейшее обоснование выбора расчетной скорости ветра проведем на основании анализа вероятностных характеристик ветрового напора при различных скоростях ветра (таблица 2.4).

Таблица 2.4 — Обоснование расчетной скорости ветра для г. Казани

Скорость ветра, м/с Ветровой Вероятность

Интервалы скоростей Расчетное значение о напор рн-ь2! 2, Па* скорости ветра в году п, выраженная в долях единицы суммарного ветрового напора в году при п-рнъ! 2

0-2 1 0,64 0,3 0,192

3,5 7,84 0,26 2,038

5-6 5,5 19,36 0,23 4,453

7-8 7,5 36,0 0,12 4,320

9-10 9,5 57,76 0,07 4,043

11-14 12,5 100,0 0,02 2,000

* - в расчетах рн принята средней за год - 1,28 кг/м3

Из таблицы 2.4 видно, что с увеличением скорости ветра растет ветровой напор, но снижается вероятность больших скоростей ветра. Зависимость вероятности суммарного ветрового напора в году от скорости ветра (таблица 2.4) имеет максимум при скорости 5,5 м/с. Очевидно эта величина и может быть принята в качестве статически обоснованной расчетной скорости ветра для Казани. Таким образом, обоснование расчетной скорости ветра позволило получить данные по ветровому напору за каждый месяц года и в среднем за год (таблица 2.5). Из таблицы 2.5 видно, что разница между значениями ветрового напора в течение года не превышает 2,3 Па, поэтому в расчетах можно использовать одно среднегодовое значение температуры наружного воздуха.

Таблица 2.5 — Среднемесячные значения ветрового напора для условий г. Казани

Показа -тели Месяцы

I II III IV V VI VII VIII IX X XII Х1Т Год

/ °С -13,5 -13,1 -6,5 3,7 12,4 17,0 19,1 17,5 11,2 3,4 -3,8 -10,4 3,0

Рн, кг/м3 1,36 1,358 1,325 1,276 1,237 1,217 1,208 1,215 1,242 1,277 1,311 1,344 1,28

Р,г»2/ 2, Па при »=5,5 м/с 20,57 20,54 20,04 19,30 18,71 18,41 18,27 18,38 18,78 19,31 19,83 20,33 19,36

Данные по ветру и ветровому напору, приведенные в таблицах 2.3 и 2.5, не могут «напрямую» использоваться в расчетах располагаемого напора, они носят ориентировочный характер и требуют корректировки: скорость ветра -корректировки, связанной с высотой здания, а ветровой напор - корректировки, связанной с углом атаки, т.е. с углом между направлением ветра и плоскостью фасада. Следует также учитывать аэродинамические коэффициенты, связанные с формой здания и условиями его обтекания. Таким образом, требуется учесть тип городской застройки и аэродинамические параметры зданий.

Информация о параметрах ветра, представленная в таблицах 2.2 и 2.3, относится к высоте флюгера на метеостанциях, т.е. 10-12 м от поверхности земли [139, 145, 146, 152]. Метеостанции расположены, как правило, на открытых участках местности и измеряют скорость ветра в невозмущенном ветровом

потоке. В городской среде воздушные потки испытывают большие возмущения вследствие взаимодействия со зданиями, сооружениями, зелеными насаждениями и т.д. В результате изменяется как скорость, так и направление ветра, что требует учета при расчетах располагаемого напора.

Анализ работ [35, 82, 116, 146, 187, 193, 197, 198, 216], в которых исследовали закономерности изменения скорости ветра с высотой показал, что для задач воздухообмена, наиболее пригодными оказались рекомендации [146]. В этих рекомендациях закономерности изменения скорости ветра с высотой опираются на характер местности и городской застройки. Рассмотрены три типа территорий: А - открытые побережья морей, озер и водохранилищ, пустыни, степи, лесостепи, тундра; В - городские территории, лесные массивы и другие местности, равномерно покрытые препятствиями высотой более 10 м; С -городские районы с застройкой зданиями высотой более 25 м.

В таблице 2.6 приведены поправочные коэффициенты к высоте (кв) для трех типов местности (А, В и С), где видно, что тип местности влияет на изменение скорости ветра в приземном слое. Так, на высоте 40 м (высота 12-ти этажного дома) в открытой местности (тип А) скорость ветра в 1,5 раза превышает справочную величину, а в местности типа С скорость ветра на этой высоте составит лишь 80 % от справочной.

Таблица 2.6 — Поправочный коэффициент кв для расчетной скорости ветра

Коэффициент кв для типов

Высота, местности

м А В С

<5 0,75 0,5 0,4

10 1,0 0,65 0,4

20 1,25 0,85 0,55

40 1,5 1Д 0,8

60 1,7 1,3 1,0

80 1,85 1,45 1,15

100 2,0 1,6 1,25