CC BY
13УДК 62
И.В. Дудникова
СИСТЕМА РЕВЕРСИВНОЙ ВЕНТИЛЯЦИИ ДЛЯ АДМИНИСТРАТИВНЫХ ЗДАНИЙ
Представлены схемы реверсивной системы вентиляции, рассмотрены режимы работы реверсивной системы вентиляции. Установлено, что идея реверсирования вентиляционных потоков до сих пор не применялась при разработке централизованных систем вентиляции. На основании указанных опубликованных материалов был сделан вывод о том, что предлагаемая конструкция приточно-вытяжныхустройств может применяться на практике. Предложена оригинальная схема воздухообмена для вентиляции административных зданий и конструкция при-точно-вытяжных устройств для этой системы; определены условия смены режимов работы системы и область ее применения. Использование предлагаемой системы вентиляции позволяет обеспечивать нормативный воздухообмен, без использования приточной установки в холодный период года. Такое применение реверсирования потоков воздуха позволяет наиболее полно использовать потенциал естественных сил для обеспечения воздухообмена помещений.
Ключевые слова: реверсивная вентиляция, воздухопроницаемые элементы, воздушный режим, приточно-вытяжные устройства
Процесс непрерывной урбанизации заметно меняет окружающую среду человека. Исследования, выполненные в работах [1-3], обосновывают значительное повышение потребления искусственного холода в административных и жилых зданиях к концу XXI века, вызванное процессами глобального изменения климата.
Этот прогноз заставляет ученых и инженеров искать все более эффективные конструкции систем вентиляции и кондиционирования, разрабатывать оригинальные схемы циркуляции воздушных масс в здании.
Исследования [4-5] показывают, что естественная и частично механизированная вентиляция имеют значительный потенциал в области энергосбережения.
Среди положительных сторон естественных и гибридных систем вентиляции не только снижение капитальных и эксплуатационных расходов, но и более благоприятный микроклимат, оказывающий непосредственное влияние на организм человека.
Подача приточного воздуха через открытые проемы наружных ограждений позволяет снизить урбанистическую нагрузку на психику посетителей или проживающих.
Такой эффект достигается во многом благодаря сохранению естественной ионизации наружного воздуха, благодаря чему, немеханизированные системы создают в помещениях микроклимат, максимально приближенный к естественному.
При этом механические системы вентиляции полностью нивелируют положительный эффект ионизированного воздуха при обработке его в секциях приточных установок и при движении его в воздуховодах. Как следствие, процент посетителей, удовлетворенных качеством воздушной среды в помещениях с такой вентиляцией меньше, чем в помещениях с полностью или частично естественной вентиляцией.
Следует отметить, что, несмотря на повсеместное распространение механических систем кондиционирования, проблема обеспечения качественных параметров микроклимата до сих пор не всегда бывает решена.
Данная статья посвящена разработке оригинального способа организации воздухообмена для обеспечения вентиляции административных зданий.
Существует большое разнообразие схем организации воздухообмена при гибридной вентиляции. Приток и вытяжка могут быть централизованными или местными.
Помимо конкретного выбора системы можно по-разному использовать природные силы, такие как гравитационный и ветровой напор и солнечное излучение.
© Дудникова И.В., 2020.
Научный руководитель: Шеногин Михаил Викторович - кандидат технических наук, доцент, Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых, Россия.
Гравитационный напор можно увеличить за счет добавления высоты шахты или дополнительного нагревания в ней воздуха [6]. Полный штиль, как погодное явление, встречается довольно редко. Скорость ветра зависит от высоты, и места расположения здания.
В городской застройке поведение потоков воздуха бывает непросто предсказать.
Для решения этой задачи сейчас используются методы численного моделирования внешней задачи воздушного режима здания.
Перепад располагаемого давления можно увеличить за счет особой архитектуры здания и формы оголовков вентиляционных шахт.
В этих целях могут использоваться, например, вытяжные отверстия в форме трубки Вентури [7]. Высокие температуры наружного воздуха зачастую наблюдаются при довольно сильном солнечном излучении. Теплота, полученная от солнца, может направляться на нагрев вытяжных каналов системы вентиляции или передаваться на побудитель тяги посредством фотоэлектрической схемы для нормализации работы вентиляции.
Довольно известным решением для гибридной вентиляции является использование двойных фасадов [8]. В этом случае оболочка здания состоит из двух слоев, зазор между которыми работает как солнечный коллектор. Нагретый в этом проеме воздух стремится вверх и создает в помещениях здания разрежение.
Благодаря этому повышается гидравлическая устойчивость систем вентиляции в теплый период. По аналогии с двойными фасадами разработана и схема вентиляции, при которой вытяжной воздуховод прокладывается на наружной стороне здания. Правда, этот способ применим только в очень теплой местности.
В большинстве случаев проектные решения, предусматривающие использование гибридных систем, являются индивидуальными, так как они не применяются в зданиях типовой архитектуры. Происходит это ввиду пока еще недостаточно глубокой проработки темы энергосберегающей вентиляции и привязанности проектировщиков к традиционным решениям. Поэтому унификация таких проектов затруднительна.
Постановка задачи. Данное исследование ставит задачей разработку технических приемов, которые смогут применяться повсеместно при проектировании систем гибридной вентиляции в административных зданиях.
Отдельного внимания заслуживает схема воздухообмена, в которой обратная тяга представляет собой еще один способ вентиляции.
С учетом данных положений в задачи исследования входило:
1. Рассмотреть возможность применения принципа реверсирования воздушных потоков для системы централизованной вентиляции.
2. Разработать конкретную схему воздухообмена реверсивной вентиляции, которая будет учитывать особенности микроклимата административных зданий.
3. Выбрать тип заполнения воздухопроницаемого элемента и обосновать этот выбор.
4. Определить условия смены направления движения воздуха в системе вентиляции и область ее применения.
5. Сформировать перечень оборудования, необходимого для работы такой системы.
6. Рассмотреть влияние приточно-вытяжных устройств на тепло -влажностный режим наружных ограждений.
Методы исследования. Идея применения принципа реверсирования воздушных потоков не нова в инженерной практике. Со второй половины 20 века получен ряд патентов на системы реверсивной вентиляции и устройства, реализующие этот метод [9-12].
В работах [13-16] частично излагается принцип работы реверсивной вентиляции с учетом обеспечения параметров микроклимата в помещениях здания. Эти материалы также содержат исследования тепломассообмена в пористых средах регенеративных теплообменников, применявшихся при реверсивной вентиляции ранее.
До нашего времени, не была выявлена попытка реализовать принцип реверсирования в централизованных системах вентиляции зданий из-за неудачных конструктивных решений и по экономическим показателям, что привело к необходимости изучения систем реверсивной вентиляции в рамках проводимого исследования.
Обсуждение результатов. Реверсивная вентиляция представляет собой систему, в которой воздух изменяет направление движения по воздуховодам, в зависимости от наружных метеорологических условий, что происходит при последовательной смене холодного и теплого периодов года.
Такая система имеет два режима работы:
1. Естественное движение воздуха (приток воздуха с улицы в помещения через приточновытяжные устройства, движение воздуха в каналах или воздуховодах и удаление воздуха в верхней части здания: на кровле, в зоне чердака или технического этажа).
2. Обратное движение воздуха (забор притока в верхней части здания, движение воздуха по каналам или воздуховодам в помещения и удаление его через приточно-вытяжное устройство).
Для нормальной работы система должная быть оборудована индивидуальными приточно -вытяжными устройствами, воздуховодами для перемещения воздуха, приточной установкой, набором регулирующих клапанов и метеостанцией, определяющей скорость и направление ветра, а также температуру наружного воздуха.
Схемы работы системы реверсивной вентиляции представлены на рис.1 и 2.
Естественный режим работы системы реверсивной вентиляции имеет место в холодный период года, когда приточный воздух поступает в помещения здания через приточно-вытяжные устройства, после чего удаляется из помещений через воздуховоды под действием естественных сил.
Приточная установка отключена от системы воздуховодов клапанами и в указанном режиме бездействует. Индивидуальные приточно-вытяжные устройства располагаются под окном в проеме наружной стены за отопительным прибором, поэтому приточный воздух попадает в помещение, обтекая отопительный прибор с минимальными скоростями и нагреваясь. Тепловая мощность отопительного прибора подбирается так, чтобы компенсировать тепловые потери помещения за счет теплопередачи и нагревать приточный воздух до температуры, соответствующей санитарным нормам.
Как известно, начало переходного периода года характеризуется среднесуточной температурой наружного воздуха +8 °С. В этот период система отопления уже отключена, а обогрев помещений здания предусматривается теплотой, аккумулированной внутренними и наружными ограждениями и внутренними теплопоступлениями.
В таких условиях нагревание приточного воздуха системой отопления невозможно, поэтому режим работы системы вентиляции меняется на обратный.
2
3
X
Рис. 1. Схема естественного режима работы системы реверсивной вентиляции
1-воздуховоды системы вентиляции, 2-приточная установка, 3-индивидуальные приточно-вытяжные устройства, 4-отопительные приборы
Рис. 2. Схема обратного режима работы системы реверсивной вентиляции
В этом режиме наружный воздух забирается с улицы приточной установкой, расположенной на техническом этаже помещения, обрабатывается в ее секциях и подается по вентиляционным каналам в обратном направлении в помещения.
При этом вытяжная шахта системы вентиляции отключается от сети воздуховодов клапанами. После ассимиляции тепловлагоизбытков загрязненный воздух из помещения удаляется через индивидуальные приточно-вытяжные устройства на улицу.
Схема приточно-вытяжного устройства системы вентиляции представлена на рис. 3.
Рис. 3. Схема индивидуального приточно-вытяжного устройства:
1-отопительный прибор, 2-воздухопроницаемый элемент приточно-вытяжного устройства, 3-ветроотбойный щиток, 4-регулирующий клапан
В качестве воздухопроницаемого элемента индивидуального приточно-вытяжного устройства предлагается использовать пористый материал, который позволит устройству пропускать расчетный объем воздуха.
Так как количество воздуха, фильтрующегося через пористый материал, зависит от перепада давления между наружным и внутренним воздухом, то для обеспечения постоянства расхода в конструкции приточно-вытяжного устройства предусмотрен регулирующий клапан.
Степень открытия створок клапана принимается исходя из величины перепада давления, формирующегося между наружной стороной приточно-вытяжного устройства и оголовком вентиляционной шахты. Этот перепад определяется аналитически на основании данных о скорости и направлении ветра, температуры наружного воздуха и численных решениях внешней задачи воздушного режима здания или по существующим эмпирическим зависимостям, представленным в СП 20.13330.2011 «Нагрузки и воздействия».
При отрицательном перепаде давления в холодный период года клапан должен находиться в закрытом состоянии, так как эксфильтрация внутреннего воздуха через пористый материал приведет к его увлажнению и снижению пропускной способности приточно-вытяжного устройства. При относительно длительной эксфильтрации может происходить выпадение капельной влаги в толще воздухопроницаемого материала с ее последующим замораживанием и нарушением пористой структуры проницаемого элемента.
Исследования гидравлического и теплового режима пористых материалов реверсивных теплообменников представлены в публикациях [17, 19-20, 22]. Публикации [18, 21, 23] посвящены исследованию тепловых и гидравлических характеристик регулярных и нерегулярных засыпок, также отчасти являющихся пористыми материалами, которые могут быть применены для заполнения проницаемого элемента индивидуального приточно-вытяжного устройства. На основании этих исследований можно утверждать, что пористые материалы и засыпки применимы для фильтрации вентиляционного воздуха.
Наблюдается также и существующая на протяжении 25 лет тенденция установки приточных клапанов в наружные ограждения с целью повышения воздухообмена в помещениях с системами естественной и механической вентиляции. В отношении применения приточных клапанов мнения исследователей различны. Так, например, в публикациях [24-26] авторы относятся к ним положительно, а в публикациях [2728] имеет место диаметрально противоположная точка зрения.
Одной из проблем приточных клапанов является малая площадь сечения отверстия для прохождения приточного воздуха, которая формирует струю, попадающую в рабочую зону помещения с недопустимыми по санитарным нормам параметрами.
В рассматриваемом индивидуальном приточно-вытяжном устройстве, заполненном пористым материалом, благодаря большой площади поперечного сечения, создается равномерное поле малых скоростей воздуха (до 0,05 м/с). Это позволяет быстро и безопасно подогреть его отопительным прибором, чем исключается формирование локально переохлажденных зон в обслуживаемом помещении.
Вывод. Реверсивная система вентиляции имеет ограниченную область применения.
В частности, она не может быть использована в жилых зданиях, так как в обратном режиме работы приточный воздух будет поступать в относительно грязные помещения санузлов и кухонь и переносить влагу, теплоту и неприятные запахи в помещения.
Такая система также неприменима в помещениях, где существуют вредные выделения, которые могут осаждаться на стенках вентиляционных каналов и, впоследствии, выноситься в помещения при обратном режиме работы.
Использование предлагаемой системы вентиляции позволяет обеспечивать нормативный воздухообмен, без использования приточной установки в холодный период года.
Такое применение реверсирования потоков воздуха позволяет наиболее полно использовать потенциал естественных сил для обеспечения воздухообмена помещений.
Библиографический список
1.Christenson M. Climate warming impact on degree-days and building energy demand in Switzerland /M. Christen-son, H. Manz, D.Gyalistras //Energy Conversion and Management. 2005. № 47. - C. 671-686.
2.Frank T. Climate change impacts on building heating and cooling energy demand in Switzerland/Energy and Buildings./ 2005. № 37. - C. 1175-1185.
3.Kolokotroni M. The effect of the London urban heat island on building summer cooling demand and night ventilation strategies/ M. Kolokotroni, I. Giannitsaris, R. Watkins // Solar Energy. 2006. № 80. - C. 383-392.
4.Artmann N. Cooling of the building structure by night-time ventilation: PhD thesis/ N. Artmann.Aalborg University, Departamentof Civil Engineering Indoor Environmental Engineering Research Group. Denmark.2008.
5.«Use the interaction of gravitational forces, the sun and wind for effective ventilation»./P. van den Engel, R. Kem-perman, H. Doolard./ «REHVA»./ aug. 2012./
6.«Natural and hybrid ventilation principles based on buoyancy, sun and wind». P. Van den Engel, R. Kemperman, H. Doolaard, REHVA, aug. 2012., рp. 25-32.
7.Blocken B., Hoof T. Van, Aanen L., Bronsema B. «Computational analisys of the performance of a venturishaped roof for natural ventilation: venture-effect versus wind-blocked effect.», Computers & Fluids., 26., April., 2011
8.Natural ventilation in the double skin facade with venetian blind. Xiao-li Xu, Zhao Yang. Energy and Buildings. Volume 40, Issue 8, 2008, рр. 1498-1504
9.Hermann J.W. Патент на систему вентиляции [Электронный ресурс]. - режим доступа: http://bd.patent.su/2277000-2277999/pat/servl/servlet10be.html -
10. Аристов Ю. И., Мухин В. А., Мезенцев И. В. Патент на способ регулирования теплообмена в системе вентиляции офисных и жилых помещений и устройство для реализации этого способа [Электронный ресурс]. - режим доступа: http://bd.patent.su/2277000-2277999/pat/servl/servlet10be.html- (дата обращения 17.10.2017) 11. Мальсагов А. Х. Патент на устройство климат-системы для помещений [Электронный ресурс]. - режим доступа: http://bd.patent.su/2360000-2360999/pat/servl/servlet2e9c.html- (дата обращения 17.10.2017)
12. Богословский В. Н., Титов В. П., Парфентьева Н.А., Медведева Е. В. Патент на установку для вентиляции помещений [Электронный ресурс]. - режим доступа:http://patents.su/2-628385-ustanovka-dlya-ventilyaciipomeshhenijj.html -
13. Dong Chen. Periodically reversible supply/exhaust ventilation strategy // Building and Environment. - 2017. -v. 124 (November). рр. 2590-2597.
14. Aristov Yu. I. A New approach to heat and moisture regeneration in the ventilation system of rooms.I. laboratory prototype of the regenerator / Yu. I. Aristov, I. V. Mezentsev, V. A. Mukhin// Journal of engineering physics and thermophys-ics. 2006. №3 (79). рр.569-576.
15. Aristov Yu. I. A New approach to heat and moisture regeneration in the ventilation system of rooms. II. prototype of the real device / Yu. I. Aristov, I. V. Mezentsev, V. A. Mukhin// Journal of engineering physics and thermophysics. 2006. №3 (79). - C.577-584.
16. Aristov, Yu. I. A New approach to regenerating heat and moisture in ventilation systems / Yu. I. Aristov, I. V.
Mezentsev, V. A. Mukhin// Energy and buildings. 2008. №3 (40). С. 204-208.
17. Nakoryakov, V. E.Investigations of nonstationary heat exchange for filtration in pervious media / V. E.Nakoryakov, V. A. Mukhin, N. N. Smirnova // Journal of engineering thermophysics. 1992.№2 (2). C. 103-119.
18. Dekhtyar R. A. Heat transfer in a packed bed at moderate values of the reynolds number / R. A.Dekhtyar, D. Ph.Sikovsky, A. V.Gorin, V. A.Mukhin// High temperature. 2002. №5 (40). C. 693-700.
19. Gorin A. V. Turbulent heat and mass transfer in complex geometry channels// отчетоНИР/НИОКР. 1999.
20. Nizovtsev M. I. Regenerative heat exchanger with a periodic change in the airflow direction for room ventilation / M. I.Nizovtsev,V. Y. Borodulin,V. N. Letushko// Thermophysics and Aeromechanics. 2015. №6 (22). -C. 785-796.
21. Mezentsev I.V. Теплообмен в зернистых средах при реверсивных режимах фильтрации // Молодой ученый. 2010 № 10. C. 17-20.
22. Mezentsev I. V. Experimentalstudy and mathematical modeling of heattransferprocessesin heat accumulatingmedia / I. V.Mezentsev, N. V. Vernikovskaya, Yu. I. Aristov, V. A. Mukhin// ThermophysicsandAeromechanics. 2006. №3 (13). С. 435-442.
23. Титов В.П., Парфентьева Н.А., Медведева Е.В. Пористый регенеративный теплообменник с неподвижной насадкой // Водоснабжение и санитарная техника. 1981. №4. С. 27-28.
24. Ватин Н. И. Системы вентиляции жилых помещений многоквартирных домов: учеб.пособие / Н. И. Ватин,
Т. В. Самопляс. СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2004. 44 с.
25. Zhilina T.S. Efficiency of natural ventilation in residential buildings / T.S. Zhilina, S.D. Vyatkina, Yu.S, Vyatkina //Фундаментальные исследования. 2017. №7. С. 25-29.
26. Bodrov M. V. Determining the actual perfopmance of natural ventilation systems with a verical gathering main of multifamily houses / M.V. Bodrov, V. P. Boldin, V. Yu. Kuzin, M. N. Kucherenko//Приволжский научный журнал.2015. -№1(33). - С. 54-59.
27. Рымаров А. Г., Кравчук В. Ю. Исследование применения воздушных клапанов в квартире жилого здания в холодный период// Сантехника. Отопление. Кондиционирование. 2016. №12 (180). -С. 70-71.
28. Ильин, И. В. Влияние параметров микроклимата на продуктивность свиней / И. В. Ильин, И. Ю. Игнаткин, М. Г. Курячий // Эффективное животноводство. - 2011. - №7. - С. 30-31.
29. Il'in I.V., IgnatkinI.Yu., Kuryachii M.G. Vliyanie parametrov mikroklimata na produktivnost' svinei. Effektivnoe zhivotnovodstvo. 2011 ;7:30-31. [Il'in I.V., IgnatkinI.Yu., Kuryachii M.G. Influence of microclimate parameters on the productivity of pigs. Effektivnoe zhivotnovodstvo. 2011;7:30-31. (In Russ.)]
ДУДНИКОВА ИРИНА ВЛАДИМИРОВНА - магистрант, Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых, Россия.
