Естественная система вентиляции

Движение воздуха в системе естественной вентиляции (иногда ее называют гравитационной) происходит вследствие разности удельных весов холодного наружного и теплого внутреннего воздуха без затраты электрической энергии.

Строительные материалы, из которых построены ограждающие конструкции зданий, обладают той или иной пористостью, вследствие чего они большей или меньшей степени воздухопроницаемы. Поэтому через стены, потолки и полы зданий, а также через оконные переплеты и случайные неплотности в них при разности давлений наружного и внутреннего воздуха в помещениях происходит воздухообмен путем, так называемой инфильтрации.

Инфильтрация (а соответственно, и количество проникающего в помещение наружного воздуха) тем больше, чем больше разность температур внутри и снаружи помещения и чем больше скорость ветра, т.е., следовательно, чем больше разность давлений внутреннего и наружного воздуха.

Опыт показывает, что инфильтрация, или, как ее иногда называют, естественная неорганизованная вентиляция, в общественных и жилых зданиях составляет от 0,5 до 1 кратности воздухообмена по отношению к кубатуре помещения, а в промышленных зданиях доходит до 1,5 кратности воздухообмена и более.

Существенных недостатком естественной вентиляции является непостоянство ее действия, т.е. ее зависимость от таких переменных величин, как сила ветра и разность температур.

Как уже указывалось, давление воздуха в помещении и давление наружного воздуха бывает различным. Под действием этой разности давлений воздух движется в направлении от большего к меньшему давлению. При этом в одной части помещения устанавливается давление больше наружного, а в другой - меньше. Количество же вытяжного воздуха в данном случае должно быть равно количеству инфильтрующего воздуха.

На рисунок 49. изображен схематический разрез помещения, стены которого совершенно непроницаемы для воздуха. В одной из стен помещения, внизу над полом и вверху под потолком имеются для отверстия на расстоянии h одно от другого.

Принимаем температуру внутреннего воздуха t_в более высокой, чем температуру наружного воздуха t_в.. Тогда вследствие разности удельных весов воздуха, из которых удельный вес наружного воздуха y_н больше удельного веса внутреннего воздуха y_в, через нижнее отверстие наружный воздух будет входить в помещение, а через верхнее выходить из него.

Рисунок - 49 Распределение давлений в помещении

(А-А нейтральная плоскость)

Следовательно, давление внутреннего воздуха у верхнего отверстия больше, а у нижнего отверстия меньше, чем давление наружного воздуха.

Таким образом, в пределах высоты h имеется такая плоскость А-А, в которой давление внутреннего воздуха будет равно давлению наружного воздуха, т.е. в которой разность давлений равна нулю. Эту плоскость (см. рисунок 49) называют нейтральной плоскостью, или нейтральной зоной, или плоскостью равныхдавлений. Она делит высоту h на две части - h_верх и h_нижн.

Давление, заставляющее воздух двигаться в указанном направлении от нижнего отверстия к верхнему, выражается формулой

p = h (g_н-g_в) кгс/см², (74)

В рассматриваемом примере (при незначительной толщине стенок помещения) можно считать, что все давление p будет расходоваться на создание лишь скоростей v_нижн и V_верх в нижнем и верхнем отверстиях.

Так как воздух входит в нижнее отверстие при объемном весе g_н, а выходит через верхнее отверстие с объемным весом g_в, то скоростные давления, соответствующие скоростям v_нижн и v_верх, можно представить в виде

кгс/м² кгс/м², (75)

а так как

p= p_{ск.нижн} + p _{ск.верх}, (76)

то

, (77)

скорость в нижнем отверстии

V_НИЖН = м/сек, (78)

и скорость в верхнем отверстии

V_ВЕРХ= м/сек, (79)

При установившемся движении воздуха в помещении количество воздуха, входящего через нижнее отверстие, всегда равно количеству воздуха, выходящего через верхнее отверстие, т.е. L_нижн g_н= L_верхg_в, где L_нижн и L_верх - объемы воздуха, проходящие за 1 ч через нижнее и верхнее отверстие, в м³/ч; g_н и g_в - соответствующие объемные веса в кг/м³.

Выражения L_нижн и L_верх как произведения площадей отверстий F_верх и F_нижн и скоростей движения в них воздуха v_нижн и v_верх, запишем это равенство в виде

F_нижн v_нижн g_н = F_верх v _верх g_в (80)

Подставляя в него значения скоростей из уравнений (78) и (79), сократив на и внеся g_н и g_в под знак корня, получим

_, (81)

откуда

Если принять с незначительной погрешностью то

(82)

Из этого равенства следует, что при двух отверстиях в помещении нейтральная зона находится от отверстий на расстояниях, обратно пропорциональных квадратам их площадей.

В нашем примере (рисунок 49) для установления положения нейтральной зоны А-А необходимо знать расстояния ее до центров отверстий, т.е. значение h _нижн и h_верх.

Так как h_нижн + h_верх = h, а h_нижн= h - h_верх и h_верх = h - h_нижн, (83)

то, подставляя в отдельности значения h_нижн и h_верх в уравнение (6) и решая его, получим

(83) (84)

где площади выражены в м², высоты в м, а объемные веса в кг/м³.

Из полученных уравнений следует, что если площадь нижнего отверстия меньше площади верхнего, то нейтральная плоскость лежит выше середины расстояния между центрами отверстий и ближе к большей площади. Если же, наоборот, площадь нижнего отверстия будет больше верхнего, то нейтральная зона будет находиться ниже середины расстояния между центрами отверстий.

При равенстве площадей верхнего и нижнего отверстий уравнения (83) и (84) примут вид:

, м (85) , м (86)

а при принятом отношении объемных весов, равном единицы, будем иметь

и , т.е. h_верх = h_нижн

Следовательно, в рассматриваемом примере (рисунок 49) нейтральная зона находится на равном расстоянии от центров отверстий.

При определении скоростей v_верх и V_нижн в формулах (78) и (79) принимались равными сопротивлению движения воздуха в нижнем и верхнем отверстиях помещения и одинаковые коэффициенты расхода m, а потому в приведенных формулах этот коэффициент не учитывался.

Коэффициент расхода m, характеризующий степень поджатия струи воздуха и местное сопротивление в отверстии, зависит от отношения площади отверстия к площади поперечного сечения окружающей ее воздушной среды (например, к площади поперечного сечения помещения). Значение коэффициента расхода m всегда меньше единицы, т.е.

m = , (87)

где L_д - действительный объем проходящего через отверстия воздуха за единицу времени; L_т - теоретический объем проходящего через отверстие воздуха за единицу времени без учета потери скоростного давления в этом отверстии.

При разных сопротивлениях движению воздуха в приточном и вытяжных отверстиях формула (3) принимает вид

кгс/м² (88)

Для ориентировочных расчетов можно принимать коэффициент расхода m как для приточного, так и для вытяжного отверстий одинаковым и равным 0,65.

Естественная вентиляция может быть вытяжной без организованного поступления воздуха (канальная система) и приточно-вытяжной с организованным притоком воздуха (система аэрации, а в некоторых случаях и канальная система).

Канальная система вентиляции. Канальные системы вентиляции находят применение преимущественно в жилых и общественных зданиях с небольшим воздухообменом помещений (не более однократного в 1 ч) и с неорганизованным притоком воздуха через неплотности окружающих поверхностей, оконные фрамуги и открытые форточки.

Воздух перемещается по каналам под действием разности давлений внутри и снаружи помещения.

На рисунке 35 показана схема канальной вытяжной системы вентиляции без организованного притока воздуха, а на рисунке 36 - схема канальной приточно-вытяжной системы вентиляции с организованным притоком воздуха и калориферным тепловым побуждением. Вентиляционный воздух в этих системах перемещается или по вертикальным каналам, заложенным в толще стен, или по приставным каналам. Вертикальные каналы на чердаке объединяют в сборные каналы, по которым удаляемый воздух через вытяжную шахту выходит в атмосферу.

В канальной приточно-вытяжной системе вентиляции (рисунок 36) наружный воздух поступает через воздухоприемную камеру, размещенную в подвальном этаже и оборудованную калорифером (воздухоподогревателем). Подогретый в камере до необходимой температуры воздух по каналам и через приточные отверстия с установленными в них жалюзийными решетками поступает в помещения. Из помещений загрязненный воздух уходит по вытяжным вертикальным каналам, вытяжные отверстия которых тоже снабжены жалюзийными решетками, оттуда воздух поступает в сборные каналы и далее через вытяжную шахту удаляется в атмосферу.

Для регулирования количества перемещаемого по каналам воздуха применяются различные регулирующие приспособления. Типы и виды каналов, приемных отверстий, вытяжных и воздухозаборных шахт, жалюзийных решеток и регулирующих приспособлений рассмотрены далее.

Для повышения располагаемого давления в канальной системе вентиляции часто прибегают к установке над вытяжной шахтой насадка - дефлектора.

Аэрация. Аэрацией называется организованная естественная, общеобменная система вентиляции. Воздухообмен при аэрации происходит через открывающиеся фрамуги в окнах и световых фонарях под действием теплового давления (разности давлений наружного и внутреннего воздуха) и давления, создаваемого ветром.

Аэрация находит большое практическое применение при вентилировании производственных помещений, горячих цехов металлургической промышленности с большими избытками тепла.

Для цехов, например, с кубатурой в 40 тыс. м³ необходим 20-кратный воздухообмен, равный 800 тыс. м³/ч. Чтобы осуществить такой большой воздухообмен естественным путем, цех должен быть оборудован значительным количеством фрамуг. Фрамуги следует располагать таким образом, чтобы летом наружный воздух поступал непосредственно к рабочим местам, а зимой холодный воздух, поступающий в цех, успевал смешаться с внутренним воздухом и поступал к рабочим местам с температурой, близкой температуре рабочей зоны.

На рисунке 50 показана одна из важных схем аэрации здания. При открытых и находящихся на разных уровнях фрамугах окон и светового фонаря, при температуре внутреннего воздуха более высокой по сравнению с температурой наружного, движение воздуха в помещении будет направлено через нижние оконные фрамуги по направлению к верхним фрамугам светового фонаря.

Рисунок - 50 Схема аэрации однопролетного производственного цеха

Рисунок - 51 Действия аэрации с ветровым побуждением

Тепловое давление аэрации регулируется степенью открытия и закрытия фрамуг.

Разность давлений на одном и том же уровне, образующаяся за счет разности температур наружного и внутреннего воздуха, называется внутренним избыточным давлением p_и. Избыточное давление p_и может быть как положительным, так и отрицательным. При положительном значении p_и, когда внутреннее давление превышает наружное, воздух выходит из помещения, а при отрицательном значении p_и, когда внутреннее давление меньше наружного, воздух поступает в помещение.

Действие аэрации с тепловым побуждением основано на принципе движения воздуха в помещениях с отверстиями, расположенными на разных вертикальных расстояниях друг от друга (см. рисунок 51). Чем больше разность температур наружного и внутреннего воздуха и чем больше разность вертикальных расстояний между осями приточных и вытяжных фрамуг, тем больше будет тепловое давление и, соответственно, воздухообмен при аэрации.

Расчет аэрации, в основном, заключается или в определении площадей приточных и вытяжных фрамуг, или, если известны площади фрамуг, в определении возможного воздухообмена через них.

Действие аэрации с ветровым побуждением основано на обтекаемости здания ветром. На рисунке 51 показана схема движения воздушной среды под действием ветра.

Расчет аэрации под воздействием давления ветра в основном сводится к установлению так называемого аэродинамического коэффициента здания К. Аэродинамический коэффициент равен отношению давления, создаваемого ветром с наветренной стороны (или разрежения, создаваемого ветром с подветренной стороны здания), к скоростному давлению ветра:

где P - давление (или разрежение) на единицу площади в кгс/м²; р_д - скоростное давление ветра в кгс/см².

Коэффициент К определяется опытным путем - продувкой модели здания в аэродинамической трубе. Значения его для типовых промышленных зданий приводятся в специальной литературе.

Из формулы (89) видно, что величина создаваемого ветром давления (или разрежения) Т равна:

(90)

После определения ветрового давления задаются внутренним избыточным давлением для каждого отверстия и по найденным разностям давлений устанавливают скорости движения воздуха в отверстиях, а по ним уже определяют площади приточных и вытяжных отверстий.

При совместном действии аэрации с тепловым и ветровым давлениями необходимо за расчетное давление принимать их сумму.

К основным конструктивным элементам систем естественной вентиляции относятся: вентиляционные каналы; жалюзийные решетки; воздухозаборные шахты; вытяжные шахты; дефлекторы.

Вентиляционные каналы. Различают каналы, заложенные в толще стен, прокладываемые в бороздах стен, приставные, подвесные и сборные, прокладываемые по чердаку.

Каналы, закладываемые в толще кирпичных стен (рисунок 52,а), имеют минимальный размер (1/2х1/2 кирпича). Во избежание конденсации водяных паров на внутренней поверхности стены не рекомендуется устраивать каналы в наружных стенах. На рисунке 52,б показаны каналы, прокладываемые в бороздах кирпичных стен.

Если по каким-либо причинам невозможно проложить каналы в стенах, то прибегают к устройству приставных (рисунок 52,в), а в некоторых случаях подвесных (рисунок 52,г) каналов, изготовляемых в обоих случаях из шлакогипсовых или шлакобетонных плит.

Сборные вентиляционные каналы, прокладываемые на чердаке (рисунок 53), изготовляют из двойных шлакогипсовых или шлакобетонных плит с воздушной прослойкой толщиной 40 мм между ними.

При индустриальном строительстве зданий в последнее время стали применять особые блоки или панели с группами вентиляционных каналов круглого или прямоугольного сечения. Каналы с круглым сечением по сравнению с прямоугольным при равных площадях имеют меньший периметр, а следовательно, и наименьшую величину сопротивления трению. Однако устройство воздуховодов прямоугольного сечения позволяет лучше увязать вентиляционные каналы со строительными конструкциями.

В соответствии с пожарными требованиями в жилых домах и общественных зданиях высотой до пяти этажей не допускается присоединять к одному вытяжному каналу помещения, расположенные в других этажах здания. В зданиях с числом этажей более пяти разрешается объединять отдельные вытяжные каналы (т.е. канал третьего с каналом пятого этажа, а канал четвертого с каналом шестого этажа и т.д.). В бесчердачных жилых зданиях, как правило, устраивают раздельные вентиляционные вытяжные каналы от каждого этажа и выводят их выше крыши здания с выпуском воздуха в атмосферу.

Рисунок 52 Вентиляционные каналы а) прокладываемые в толще кирпичных стен; б) прокладываемые в бороздах стен; в) приставные; г) подвесные 1 – кирпичная стена; 2 – шлакогипсовые плиты; 3 – штукатурка; 4 – стальной кронштейн.

Рисунок 53 Сборные вентиляционные каналы из двойных гипсошлаковых плит 1 – гипсошлаковые плиты; 2 – воздуховод; 3 – воздушная прослойка; 4 – заливка гипсом; 5 – чердачное перекрытие; 6 – арматура из пачечной стали

Жалюзийные решетки. В вентиляционных отверстиях помещений жилых и общественных зданий для регулирования количества вытяжного или приточного воздуха устанавливают жалюзийные решетки.

Наиболее широкое применение получили жалюзийные решетки с подвижными перьями (рисунок 54), состоящие из рамки, неподвижной решетки и вертикальных клапанов-перьев. Клапаны-перья, установленные сзади решетки, приводятся в движение шнуром. Жалюзийные решетки могут иметь разнообразное художественное оформление (рисунок 55).

Вытяжные отверстия следует располагать ближе к местам загрязнения. В общественных зданиях приточно-вытяжные, а в жилых зданиях вытяжные отверстия располагают обычно на расстоянии 0,5-0,7 м от потолка.

Рисунок 54 Жалюзийная решетка с подвижными перьями

Рисунок 55 Художественно оформленные жалюзийные решетки

Воздухозаборные шахты. Воздухозаборные шахты устраивают или у стен здания, или отдельно стоящими (рисунок 56).

Рисунок - 56 Воздухозаборные шахты

а) у стен здания; б) отдельно стоящие

1- жалюзийная решётка; 2 – дроссельный клапан

Их располагают, как правило, на расстоянии не менее 10 м от загрязненных мест (выгребных ям, котельных, уборных и пр.).

Чтобы избежать попадания загрязненного воздуха из вытяжной шахты в воздухоприемную, расположенную с ней на одной высоте, последнюю отодвигают не менее чем на 10 м по горизонтали от вытяжной шахты. В этих случаях необходимо учитывать также направление господствующих ветров в той или иной местности (СНиП II-А6-62) и не размещать воздухозаборных устройств в возможном потоке удаляемого загрязненного воздуха. В отдельных случаях, когда воздухоприемник приходится располагать вблизи вытяжной шахты, последнюю поднимают над воздухоприемником не менее чем на 2 м.

В промышленных зданиях забор наружного воздуха чаще производится через проемы в стенах или через окна, без устройства приточных шахт.