CC BY
119
строительные науки Особенности естественного воздухообмена
строительная теплофизика и энергосбережение жилых помещении А.М. Сайфутдинова, В.Н. Куприянов
Казанский государственный архитектурно-строительный университет
Как известно, 60% времени человек проводит в жилых зданиях, и, соответственно, дышит внутренним воздухом помещений. К качеству внутренней среды помещений нормы [1,2] предъявляют огромное число требований, среди которых можно выделить требования, относящиеся к химическому составу, определяющие степень чистоты воздуха, и к физическим параметрам среды, формирующим микроклимат помещений.
Среди этих двух категорий можно выделить два взаимосвязанных параметра — подвижность и загрязненность воздуха. Оптимальная скорость воздуха в помещении определена санитарно-эпидемиологическими нормами, как 0,1 м/с. Меньшая подвижность вызывает застой воздушных масс и усложняет процесс теплообмена человека с окружающей средой. Максимально допустимая подвижность воздуха в рабочей зоне равна 0,2 м/с. Движение воздуха с большей скоростью вызывает ощущение сквозняков и неблагоприятно сказывается на здоровье человека.
Чистота воздуха помещения обеспечивается его обновлением. Здесь вводится такое понятие, как воздухообмен. Под воздухообменом понимают возмещение удаляемого из квартиры загрязненного воздуха чистым наружным в нормативном объеме.
Нормативные документы содержат различную трактовку этого показателя, начиная от размерности и заканчивая количественной оценкой: м3/час, м3/час на 1 м2 жилых помещений, м3/час на человека, кратность воздухообмена (отношение вели-
чины воздухообмена к объему помещения). Часть этих параметров соотносится с количеством жильцов, часть с величиной помещения (площадью и объемом), а некоторые не связаны ни с тем, ни с другим, а определяют лишь назначение помещения, параметры которого в различных зданиях могут иметь самые разные размеры.
Следует отметить также, что некоторые нормы [4] определяют величину воздухообмена, как необходимый расход удаляемого воздуха, а некоторые [3,5] — как расход приточного воздуха. В ряде нормативных документов указано, что различные подходы, применяемые к нормированию данной величины, не имеют физического обоснования [3].
В таблице 1 приведены нормы воздухообмена в жилых зданиях по различным нормативным документам.
Как видно из таблицы 1, различие в количественной оценке воздухообменов по различным нормам достаточно велико. С одной стороны, это можно объяснить недоучетом рекомендаций гигиенистов по обеспечению жилых помещений свежим воздухом, а с другой — стремлением сэкономить энергоресурсы (по данным различных источников, на обогрев приточного воздуха расходуется до 15% тепла). Различие между отечественными и зарубежными нормами в десятки раз. Возможно, это связано с тем, что для России это достаточно новая проблема, которая обратила на себя внимание только на современном этапе и требует тщательных исследований и разработки.
Наиме- нование помеще- ний СНиП 2.08.01-89* [4] СТО НП «АВОК»2.1-2008 [5] СНиП 31-01-2003 [7] А. Беккер «Системы вентиляции» [6]
В нерабочем режиме В режиме обслуживания
Жилые комнаты Зм3 в час на 1 м2 пола Кратность 0,35, но не менее З0м3/час на человека Кратность 0,2 Кратность 0,5-1,0 Кратность 2-4
Кухни От 60 до 90м3/час От 60 до 90 м3/час Кратность 0,5 90 м3/час Кратность 25-30
Ванные комнаты, туалеты 25м3/час От 25 до 50 м3/час Кратность 0,5 25 м3/час Кратность 8
Пости- рочные Кратность 7 Кратность 5,0 Кратность 05 90 м3/час Кратность 6-8
Г арде- робные, кладовые Кратность 0,5 Кратность 1,0 Кратность 0,2 Кратность 0,2 —
Таблица 1. Нормы воздухообмена в жилых зданиях по данным различных источников.
строительная теплофизика и энергосбережение
Таким образом, уже в самой постановке задачи остаются неясными ни величины воздухообме-нов, ни их размерности.
Организация естественного воздухообмена в жилых зданиях
В жилых зданиях для организации воздухообмена, как правило, устраивается естественная канальная вентиляция. При такой схеме воздух из помещений удаляется через вытяжные каналы за счет давления, возникающего из-за разницы температур наружного и внутреннего воздуха. За расчетную температуру наружного воздуха в нормативных документах [3,8] принимают температуру +50С. Температуру внутреннего воздуха принимают исходя из назначения помещения и климатических условий. Давление ветра в нормативных документах не учитывается. Считается, что приток неорганизованный и обеспечивается за счет воздухопроницаемости ограждающих конструкций, а вытяжка устраивается из наиболее загрязненных помещений, т.е. санузлов и кухонь. Расчет естественной вентиляции сводится к достаточности избыточного давления и определению сечения вент-канала. Причем скорость движения воздуха в вен-тканале при расчетах просто задается в пределах
0,5-1,0 м/с.
Величина теплового напора ДР( за счет которого происходит удаление загрязненного воздуха, определяется по формуле:
Др = Нд{рн - рв) ,
320 5 2009
Рисунок 1. Перетекание потоков воздуха в квартире при идеально организованном воздухообмене.
ДРи =рн • и2 / 2 ,
(2)
где и — скорость ветра, (м/с).
Для Казани характерной скоростью ветра обеспеченностью более 50% является ветер со скоростью 4 м/с. Величина избыточного давления, создаваемого таким ветром при температуре наружного воздуха +50С, равна 10,16 Па. Эта величина сопоставима с величиной ДР( и ею не следует пренебрегать. За расчетную следует принимать величину полного располагаемого напора, которая определяется по формуле 3:
ДР = ДPf + ДРи
(3)
(1)
где рн и рв — плотность наружного и внутреннего воздуха соответственно (кг/м3); Н — расстояние по вертикали от середины приточного отверстия до устья вытяжной шахты, (м).
Поскольку за расчетную температуру наружного воздуха принимается температура +5°С, остается открытым вопрос о количественных характеристиках воздухообмена в остальное время года. Если с понижением наружной температуры увеличивается величина избыточного давления и, соответственно увеличивается воздухообмен, то при повышении температуры — картина обратная. Так, для Казани 168 дней в году температура наружного воздуха выше +50С [9] — и это почти половина года, а 42 дня из них температура наружного воздуха превышает расчетную температуру внутреннего воздуха.
Следует добавить также, что в реальных условиях немалое значение имеет и ветровой напор, который в нормах не учитывается. Величина давления, создаваемого ветром, определяется по формуле:
При идеальной организации воздухообмена загрязненный воздух одних помещений не должен поступать в смежные помещения (рис.1), а физические параметры среды должны находиться в пределах норм как по скорости воздушных потоков в рабочей зоне, так и по кратности воздухообменов.
Результаты расчета естественной вентиляции по нормативным документам [3, 8] не дают ответ о скоростях движения воздуха в помещениях квартиры, о траекториях движения воздушных потоков, о наличии застойных зон и т.п. Ответ на эти вопросы может быть получен путем организации натурного эксперимента, который сложен, требует большого времени и материальных затрат. При натурном эксперименте очень сложно получить различные характеристики граничных условий.
Наибольший эффект при небольших затратах времени материальных ресурсов можно получить при использовании современных вычислительных комплексов.
В качестве вычислительных программ были выбраны такие программные продукты компании ANSYS, как FLUENT и GAMBIT. Применение данных продуктов позволяет быстро и в большом диапазоне создавать и менять геометрические и физичес-
строительная теплофизика и энергосбережение
кие параметры среды, что актуально при решении вопросов естественного воздухообмена, так как необходимо учитывать множество факторов, начиная от конструктивного решения и погодных условий, и заканчивая расстановкой мебели.
К тому же результаты расчета не требуют дополнительной обработки, а сразу могут быть представлены как в числовом, так и графическом виде, в том числе и в виде анимации. Графические материалы очень наглядны и понятны, что нельзя сказать о традиционных расчетах, для понимания которых необходимы специальные навыки. А видеоматериалы помогают сформировать окончательную картину воздухообмена помещений.
Моделирование можно разбить на несколько этапов. На первом этапе в GAMBIT моделируется геометрия квартиры (рис.3). Далее в области решения необходимо задать параметры сетки. После чего определяем тип граничных условий и передаем полученную геометрию для расчета во FLUENT, где доопределяем граничные условия, задаем параметры решателя и параметры среды, и производим расчет.
Расчет естественного воздухообмена по методике СНиП 41-01-2003
К расчету принята типовая 2-комнатная квартира серии 125-03-НРУ-89 (рис.2), расположенная на 1 этаже девятиэтажного дома. Модель этой квартиры, построенная в GAMBIT приведена на рис.3.
Величину теплового напора определяем по формуле (1):
ДР, = 28,6-9,81- (1,27-1,2) = 19,64 Па.
По рекомендациям норм ветровой напор не учитываем, следовательно, величину теплового напора принимаем за расчетную величину располагаемого напора.
По условиям нормативных документов приток осуществляется через ограждающие конструкции. В данном случае воздухопроницаемостью стен пренебрегаем, и считаем, что приток свежего воздуха обеспечивается за счет воздухопроницаемости оконных конструкций.
За последние годы резко изменилось отношение к оконным конструкциям в связи с удорожанием энергоресурсов. Это отразилось и на нормах по воздухопроницаемости. Согласно стандартам на оконные конструкции [10, 11] воздухопроницаемость их должна быть не ниже класса В, что соответствует 17 м3/(час-м2) при ДР0 = 100 Па. Однако, если обратиться к СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» [12], то окна и балконные двери жилых, общественных и бытовых зданий и помещений в деревянных переплетах могут иметь воздухопроницаемость не более 6=6 кг/(м2-ч) при ДР = 10 Па.
G = G,
2/3
'ДР '
ДР
(4)
о у
где ДР — величина располагаемого напора, Па.
Рисунок 2. План модели типовой двухкомнатной квартиры серии 125-03-НРУ-89.
5 2009 321
строительная теплофизика и энергосбережение
в = 6 (19,64/10)2/3 = 9,41 кг/(м2-ч). (4)
Суммарная площадь проемов в тестируемой квартире 2,25-3 = 6,75м2. Тогда общий расход приточного воздуха будет равен:
I = 9,41-2,25-3=63,51 кг/ч или 63,51/ 1,27=50,1м3/ч.
Общая площадь квартиры составляет 53,65 м2, жилая — 32,56 м2, а объем — 144,54 м3. Исходя из этих данных, можно посчитать необходимый воздухообмен по данным различных источников (таблица 1).
Так, согласно СНиП 31-01-2003 «Здания жилые многоквартирные» [7], необходимый воздухообмен в квартире составит: в нерабочем режиме — 52,88 м3/час, в рабочем режиме — 258,74м3/час. Если руководствоваться СНиПом 2.08.01-89* «Жилые здания» [4], то необходимый воздухообмен будет равен 237,68 м3/час. Если исходить из СП «Отопление и вентиляция жилых зданий» [3] и СТО НП «АВОК» 2.1-2008 [5], то эта цифра составит 140 м3/час. Здесь в основу расчета заложен подход определения величины необходимого воздухообмена, исходя из расхода приточного и расхода удаляемого воздуха. Т.е., исходя из условий конкретной квартиры (заселенности, жилой площади, типа кухонной плиты, типа санузла, наличия постирочной, кладовой и т.д.), определяют отдельно расход воздуха, который необходимо удалить из наиболее загрязненных помещений и расход воздуха, который необходимо подать в жилые помещения. Далее из этих величин выбирается наибольшая, которая и берется за основу дальнейших расчетов, хотя такой подход к определению величины необходимого воздухообмена не совсем понятен, поскольку тот факт, что из «грязных» помещений необходимо удалить определенный объем воздуха, не отменяет необходимости подавать чистый воздух в жилые помещения.
Здесь интересно отметить, что если руководствоваться нормами зарубежных источников [6], то необходимый воздухообмен составит 1 129,92 м3/час. За расчетную величину необходимого воздухообмена в нашем случае примем 258,74м3/час, рассчитанную по СНиП 31-01-2003.
В данной квартире приток составил 50,1м3/ч, что в 5 раз меньше необходимого. Кратность воздухообмена будет равна:
п = I/V, (5)
п = 50,1/144,54 = 0,35.
Расход воздуха, попадающего в квартиру через оконные конструкции, был рассчитан по вели-
Рисунок 3 Модель типовой двухкомнатной квартиры, построенная в GAMBIT.
чине воздухопроницаемости вп = 6 кг/(м2-ч) при ДР0 = 10 Па, регламентированной в СНиП 23-022003 «Тепловая защита зданий» [12]. В ГОСТах по оконным конструкциям эта величина сильно занижена. Если считать, что определение требуемой воздухопроницаемости в основном зависит от условий энергосбережения, то такое занижение в ГОСТах по отношению к СНиП можно считать необоснованным. Поскольку вышеприведенные расчеты показывают, насколько значительна недостача свежего воздуха в помещениях.
Как уже отмечалось ранее, при правильно организованном воздухообмене воздух из кухни и ванной не должен попадать в жилые помещения (рис.1), в квартире не должны образовываться застойные зоны, а подвижность воздуха должна быть в пределах 0,1 -0,2 м/с.
На рис.4-6 представлены графические материалы, полученные в результате расчета по исходным данным (,п = +50С, А. = 50,1м3/ч). На рис.4 разными цветами показаны линии тока воздуха из разных точек притока (от синих оттенков — в общей комнате, к красным — на кухне; на шкале слева указаны номера приточных струй). Как видно из рисунка, линии тока красно-желтых цветов встречаются и в жилых комнатах, следовательно, загрязненный воздух из кухни попадает в жилые помещения, что абсолютно неприемлемо при правильно организованном воздухообмене. Следовательно, планировочное решение квартиры решено без учета требований по воздухообмену.
На рис.5 представлены поля скоростей, соответственно, в горизонтальном сечении на отметке 1 м от уровня пола, в вертикальном сечении по центру общей комнаты, в вертикальном сечении по центру вытяжных отверстий. На шкале слева указаны значения скоростей (по цветам) в м/с. Из ри-
строительная теплофизика и энергосбережение
■
.20е + 03 Д 4 е + 0 3 . О 8 е + 0 3 .02е + 03 ,59е+02 .99е + 02 .39е + 02 .79е + 02 Д9е+02 ,59е+02 .0 0е + 02 .4 0 е + 0 2 .80е + 02 .20е + 02 .6 0 е + 0 2 .0 0е + 02 .4 0е + 02 .8 0 е + 0 2 .20е + 02 .0 0 е + 0 1 . 0 0 е + 0 0
Рисунок 4. Перетекание потоков воздуха в квартире по результатам расчета экспериментальной модели.
Рисунок 5. Поля скоростей в горизонтальном сечении на отметке 1 м от уровня пола, в вертикальном сечении по центру большой комнаты, в вертикальном сечении по центру вытяжных отверстий. На шкале слева указаны числовые значения (по цветам) в м/с.
Рисунок 6. Поля времени в пребывания воздуха в горизонтальном сечении на отметке 1 м от уровня пола, в вертикальном сечении по центру большой комнаты, в вертикальном сечении по центру вытяжных отверстий.
На шкале слева указаны числовые значения времени (по цветам) в секундах.
5 2009 323
строительная теплофизика и энергосбережение
Рисунок 7. Перетекание потоков воздуха в квартире по результатам расчета экспериментальной модели при нормативном воздухообмене.
Рисунок 8. Поля скоростей в горизонтальном сечении на отметке 1 м от уровня пола, в вертикальном сечении по центру большой комнаты, в вертикальном сечении по центру вытяжных отверстий. На шкале слева указаны числовые значения (по цветам) в м/с.
Рисунок 9. Поля времени пребывания воздуха в горизонтальном сечении на отметке 1 м от уровня пола, в вертикальном сечении по центру большой комнаты, в вертикальном сечении по центру вытяжных отверстий.
На шкале слева указаны числовые значения времени (по цветам) в секундах.
324 5 2009
строительная теплофизика и энергосбережение
сунка видно, что, в целом, в рабочей зоне помещений удовлетворяются требования норм и скорость составляет 0,1-0,2 м/с. Значения скоростей, превышающие нормативные, наблюдаются вблизи окон. В верхней зоне помещений скорости на порядок меньше нормативных, что вызывает застой воздушных масс.
Расчет естественного воздухообмена при обеспечении его нормативных характеристик
В этом случае нормативный воздухообмен обеспечен за счет увеличения воздухопроницаемости окон. Для обеспечения протока воздуха в количестве 258,74м3/час воздухопроницаемость окон должна быть равна 48,68кг/(м2-ч) (вместо 9,41 кг/ (м2-ч)).
Г рафические результаты расчета представлены ниже на рис. 7-9. Как видно из рис.7, при увеличении воздухообмена (а следовательно и скоростей) потоки воздуха из кухни не перетекают в жилые помещения, а также видно более активное передвижение воздушных масс из дальней комнаты к вытяжным отверстиям.
На рис. 8 показаны поля скоростей соответственно в горизонтальном сечении на отметке 1 м от уровня пола, в вертикальном сечении по центру общей комнаты, в вертикальном сечении по центру вытяжных отверстий. Видно, что максимальная скорость в объеме квартиры увеличилась до 0,687 м/с (на входе в канал), а скорость в рабочей зоне увеличилась почти на 0,1 м/с (по сравнению с первоначальными условиями). Также можно отметить, что в нижней зоне помещения кухни (в вертикальном сечении по центру вытяжных отверстий) скорости превышают нормативные значения, что вызовет ощущение сквозняков.
На рис.9 представлены поля времени пребывания воздуха в той или иной точке помещения. Время в секундах представлено на шкале слева. Видно, что максимальное время пребывания воздуха в квартире (даже в самых непроветриваемых местах) не превышает 1 часа. В рабочей зоне помещений смена воздуха происходит примерно за 0,5 часа. В верхней части общей комнаты воздух задерживается дольше всего, однако в данном случае застоя не наблюдается, т.к. это время составляет 47 минут (менее часа).
По результатам расчетов можно сделать следующие выводы:
1. Расчет воздухообмена в существующих типовых квартирах, проведенный по действующим нормативным документам, показывает, что в квартирах недостаточен приток свежего воздуха, в помещени-
ях образуются застойные зоны, а воздух из «грязных» помещений перетекает в жилые комнаты.
2. Нормативные характеристики воздухообмена могут быть достигнуты в рассматриваемой типовой квартире за счет увеличения воздухопроницаемости ограждающих конструкций или организации специальных приточных устройств. При этом следует иметь в виду, что увеличенный приток наружного воздуха может привести переохлаждению помещений и сквознякам.
Последнее обстоятельство приводит к необходимости разработки системы притока наружного воздуха, включая размещение приточных устройств и подогрев наружного воздуха.
Список литературы
1. Санитарно-эпидемиологические правила и нор-
мативы, СанПиН 2.1.2.1002-00, Санитарно-эпидемиологические требования к жилым зданиям и помещениям, 2001 г.
2. ГОСТ 30494-96 Здания жилые и общественные.
Параметры микроклимата в помещениях.
3. Справочное пособие к СНиП 2.08.01-89 Отопле-
ние и вентиляция жилых зданий, 1990 г.
4. Строительные нормы и правила, СниП 2.08.01-
89* Жилые здания, 1999 г.
5. Стандарт «АВОК». СТО НП «АВОК» 2.1 — 2008
Здания жилые и общественные. Нормы воздухообмена.
6. А. Беккер Системы вентиляции. — М.: Технос-
фера, Евроклимат, 2005. — 232с.
7. Строительные нормы и правила Российской Фе-
дерации, СНиП 31-01-2003 Здания жилые многоквартирные, 2003 г.
8. Строительные нормы и правила Российской Фе-
дерации, СНиП 41-01-2003 Отопление, вентиляция и кондиционирование, 2004г.
9. Строительная климатология: Справочное посо-
бие к СНиП 23-01-99*/ Под ред. чл. кор. Савина В.К. М.: НИИ строительной физики РААСН, 2006. — 258с.
10. ГОСТ 23166-99 Блоки оконные. Общие технические условия.
11. ГОСТ 24699-2002 Блоки оконные деревянные со стеклами и стеклопакетами. Технические условия.
12. Строительные нормы и правила Российской Федерации, СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий», 2004 г.
13. ГОСТ 16289-86 Окна и балконные двери деревянные с тройным остеклением для жилых и общественных зданий. Типы, конструкция и размеры.
