Термодинамические основы процессов вентиляции и кондиционирования воздуха 8 страница

Рис. 68

Обычно при проектировании систем исходят из допустимости определенного числа часов нарушений требуемых условий. Именно такой подход положен в основу нормирования наружных условий. Расчетным параметрам, не допускающим нарушений, присвоен индекс В. Параметрами Б являются температура и энтальпия, значения которых в теплое время года не превышается более 200 часов. Если число часов нарушений более 200, но менее 400, то говорят о параметрах А.

Значения параметров А, Б и В определены для 233 городов и географических пунктов России и приводятся СНиП II-33-75^x.

Расчетные параметры Б принимаются при проектировании большинства систем кондиционирования воздуха, параметры А - для большинства систем общеобменной вентиляции.

Заметим, что в летнее время для многих районов страны теплопоступления за счет разности температуры t_H-t_B малы по сравнению с теплопоступлениями от солнечной радиации.

При определении расходов теплоты и холода системами, а также выборе расчетных параметров, исходя из заданного числа нарушений, либо отличного от нормативного, либо при отсутствии подробных статистических по тому или иному географическому пункту используют приближенные методы, основанные на том, что годовые распределения энтальпии и температуры наружного воздуха часто можно принять подчиняющимися нормальному закону распределения случайной величины. Такое предложение справедливо потому, что формирование, например, энтальпии происходит под воздействием

многих случайных факторов.

Рис. 69

Если по оси абсцисс (рис. 69) отложить значения энтальпии наружного воздуха от Y_min до Y_max_,а по оси ординат - плотность распределения f(Y), то можно получить график распределения энтальпии в течение года.

При этом (63)

, (63)

где - среднее квадратичное отклонение;

Y_ср - среднегодовое значение энтальпии.

Вероятность попадания Yв интервал (Y₁, Y₂) составит (64)

, (64)

т. е. равна заштрихованной площади на (рис. 69). Вся же площадь. ограниченная кривой распределения равна 1. Известно, что в году 8 760 часов. Тогда доля, соответствующая интервалу (Y₁, Y₂), умноженная на 8760, даст представление о том времени, в течение которого энтальпия наружного воздуха находится между значениями Y₁ и Y₂. Каждому характерному значению энтальпии наружного воздуха соответствует определенный режим работы системы кондиционирования или вентиляции, определенное потребление теплоты или холода. Анализируя весь головой интервал изменения энтальпии путем разбиения его на достаточно малые участки, можно судить об энергетическом совершенстве системы.

При отсутствии нормативных данных для расчета кривую распределения тоже можно построить, зная Y_ср, Y_min и Y_max, которые известны для любого географического пункта. Для определения пользуются правилом "трех сигм". Из него (65)

. (65)

Если мы ограничим, например, расчетный наружный климат значением энтальпии , то получим общее число нарушений для теплого и холодного периодов года , что примерно соответствует параметрам Б по СНиП.

Влагопоступлениями через наружные надземные части зданий можно пренебречь. Скорее, наоборот, опасным для сохранности ограждений может стать явление влагопереноса из помещений некоторых типов сооружений в атмосферу (бани, прачечные, производственные помещения с "мокрыми" технологическими процессами и пр.). Методы защиты от подобного явления излагаются в курсе строительной теплофизики.

Рассмотрим поступление водяного пара через слой гидроизоляции из грунта в подземные части зданий. Заметим, что инфильтрация свободной влаги ограждения в этом случае должны быть исключена. Расчет количества водяного пара ведут по формуле (66)

, (66)

где - парциальное давление насыщенного водяного пара при температуре грунта, Па;

- суммарное сопротивление паропроницанию слоя гидроизоляции и ограждения, м²сПа/кг.

Для установившегося режима температура грунта может быть определена и известной формулы (67)

. (67)

Суммарное сопротивление паропроницанию R_n является величиной, обратной коэффициенту паропроницания, и в данном случае вычисляется по формуле (68)

, (68)

где - коэффициент паропроводности материала слоя гидроизоляции и строительного ограждения, кг/м с Па;

R_ПВ- переходное сопротивление при выходе пара в воздух помещения (примерно 1,7 м²с Па), кг.

Имея представление о различных видах нагрузок на систему, составляют уравнения теплового. влажностного и газового балансов и переходят к расчету воздухообменов.

Примером теплового баланса может служить уравнение (52). Влажностный и газовый балансы составляются аналогично.

Методы определения воздухообменов.

Под воздухообменом понимают количество воздуха, подаваемого в единицу времени и помещение с помощью систем вентиляции или кондиционирования или удаляемого из него этими системами.

Проще всего задача определения воздухообменов решается в том случае, когда количество выделяющихся вредностей постоянно во времени и когда по уравнениям баланса эти количества определяются достаточно точно.

Зная концентрацию вредности в подаваемом воздухе p_H и количество выделяющейся вредности в единицу времени G_ВР, можно составить уравнение баланса по этой вредности. если подавать в помещение £ м³/ч воздуха (69)

£_рН+G_ВР+£_рН, (69)

где Р_B - концентрация вредности в удаляемом воздухе.

В качестве Р_B при проектировании систем вентиляции и кондиционирования принимают так, например, предельно-допустимые концентрации (ПДК).

Тогда, преобразуя (18), легко найти воздухообмен (70)

£= . (70)

Часто в наружном воздухе отсутствует выделяющаяся в помещении вредность. Тогда (71)

£= . (71)

Если в качестве вредности выступает избыточная теплота то в общем случае (72)

£= . (72)

где Y_в, Y_п- энтальпия вытяжного и приточного воздуха;

- плотность воздуха.

При выделении только теплоты формула (21) преобразуется к виду (73)

£= , (73)

где C_р -теплоемкость влажного воздуха (в среднем принимается 1,005 кДж/кг К, 0,24 ккал,кг ⁰С).

Приведенные зависимости выведены из предположения мгновенного и равномерного распределения как вредности, так и поступающего воздуха по всему объему помещения. В действительности в помещениях всегда имеет место та или иная неравномерность, что существенно осложняет задачу определения воздухообменов. Методы определения воздухообменов с учетом неравномерного распределения вредностей и воздуха излагаются в специальной литературе.

В тех случаях, когда расчетным путем не удается получить количество вредностей, пользуются способами определения воздухообменов по укрупненным показателям: по кратностям и по расчетному количеству воздуха на характерный источник вредностей.

Под кратностью понимают количество воздуха £, отнесенное к объему помещения Ʊ, т. е.

, 4^-1,(74)

где знак (+) соответствует притоку, а знак (-) вытяжке.

Значения кратности для различных помещений принимаются на основании выработанных практикой данных и приводятся в справочной и нормативной литературе. Так, например, для кинотеатров воздухообмен в зрительных залах определяется с расчетом на основании подсчета нагрузок. В остальных помещениях - кратностям: кулуары и фойе - n=+2; кинопроекционная - n_пр= +3, n_выт= -4; аккумуляторная n_пр= +8, n_выт= - 10; курительные n = -10.

Санитарно-технические приборы в вентиляционных расчетах принимаются в качестве характерных источников вредности. Так, например, в зависимости от назначения сооружения на каждый установленный в помещении унитаз требуется втяжка объемом от 50 до 100 м³/ч, писсуар - 25 – 50 м³/ч.

Так же определяется воздухообмен для находящихся в помещении людей. В этом случае количество наружного воздуха может быть легко получено по формуле (19) из условия ассимиляции углекислого газа.

Оно составляет примерно 20 – 30 м³/ч на человека. Однако в ряде помещений устанавливается норма подачи наружного воздуха на одного человека в пределах 40 – 80 м³/ч. Такое увеличение объясняется потребностью уменьшения запахов, сопутствующих пребыванию людей.

В местных вентиляционных системах методы определения воздухообменов настолько специфичны и зависят от вида системы и особенностей обслуживаемых ею оборудования и устройств, что далеко выходит за пределы рассматриваемого курса. Заметим только, что в общем балансе перемещаемого в системах вентиляции воздуха доля местных систем невелика (едва ли более 10 %), но роль их оценивается не количеством воздуха. Так, например, локализующая вытяжка вентиляция от агрегатов, выделяющих вредные пары и газы, не допускает прорыва вредностей в объем помещения, а это значит, что в дестки, а иногда и сотни раз сокращается общий воздухообмен.

4.3. СИСТЕМЫ ЕСТЕСТВЕННОЙ ВЕНТИЛЯЦИИ

В системах естественной вентиляции перемещение воздуха происходит под действием естественных сил: гравитационного (теплового) и ветрового напоров. Величина гравитационного напора для систем вентиляции определяется по разности плотности наружного воздуха и воздуха помещения (75)

, (75)

где - расстояние по вертикали от центра вентиляционного отверстия в помещении i-го этажа до отметки воздуховыпкскного отверстия.

Под ветровым напором понимают давление, оказываемое ветром на различные поверхности зданий. Отсчет ветрового напора осуществляется от барометрического давления, т.е. последнее принимается за нулевой уровень. Ветровой напор определяется по формуле (76)

, (76)

где - аэродинамический коэффициент, показывающий долю кинетической энергии ветра, переходящей в потенциальную энергию давления; может быть положительным, и тогда имеет место давление выше атмосферного, и отрицательным, и тогда наблюдается разрежение;

- скорость ветра, м/с;

- плотность воздуха, кг/ .

Значения аэродинамических коэффициентов для зданий различной конфигурации в зависимости от направления ветра определяют в результате постановки специальных экспериментов. Мы только отметим, что положительные значения ветрового напора имеют место с наветренной стороны, отрицательные – с подветренной, причем перед отдельно стоящим зданием область положительных давлений распространяется на расстояние около 5 высот здания, отрицательных – 6 высот по направлению ветра. Последняя носит название аэродинамической тени (рис. 70).

Рис. 70.

Системы естественной вентиляции подразделяют на бесканальные и канальные.

В бесканальных системах в расчет принимаются как тепловой, так и ветровой напоры. Такой способ вентиляции носит название аэрации. При аэрации с помощью незначительных разностей давлений изнутри и снаружи здания можно организовать перемещение очень больших масс воздуха. Аэрация широко применяется для вентиляции производственных зданий со значительными тепловыделениями и не очень жесткими требованиями к параметрам воздушной среды.

Рассмотрим процесс аэрации простейшего однопролетного здания под воздействием только теплового напора. Расчетная схема изображена на рис. 71.

Примем

Давление на отметке оси нижнего отверстия составит (77):

Снаружи здания ; (77)

Внутри здания ; (78)

Разность давлений на этой отметке (79)

. (79)

Рис. 71.

Если обозначить , (80)

По аналогии разность давлений на отметке оси верхнего окна составит (81)

. (81)

При установившемся процессе количества воздуха, входящего через одно отверстие и выходящего через другое, равны. Приточным отверстием при принятых нами условиях является, естественно, нижнее. Обозначим , а , т. е.

; (82)

. (83)

Неравенства (82) и (93) означают, что на какой-то отметке () имеет место равенство .

Обозначим расстояние между отверстиями H, а расстояния от нейтральной зоны до отметок осей отверстий и .

Тогда

; (84)

. (85)

А так как на отметке , то

. (86)

Подставим в (12) (6) и (7) и получим

; . (87)

Зная, что , т. е. расходы через отверстия равны, запишем их:

; (88)

, (89)

(где - коэффициенты расхода (при одинаковых конструкциях отверстий ).

Рассмотрим теперь влияние изменения площади одного из отверстий на количество перемещаемого воздуха. Для этого в выражения (88) и (89) подставим значения и и приравниваем их.

После преобразований будем иметь

. (90)

Пусть (),

тогда . (91)

Имея в виду , получим

И далее

; (92)

. (93)

Теперь можно отыскать отметку нейтральной зоны. Она равна

. (94)

Если размеры отверстий одинаковы (m = 1), то нейтральная ось делает расстояние между ними пополам. В этом случае

; (95)

. (96)

Отсюда

. (97)

Нетрудно видеть, что при m→ ∞

.
Таким образом увеличение одного из отверстий при неизменной площади другого не дает существенного эффекта. На практике устойчивая работа аэрации обеспечивается условием

. (98)

Действие ветра при аэрации учитывается тем, что к располагаемому гравитационному напору для приточных отверстий добавляют ветровое давление.

Аэрационные расчеты существенно усложняются, если отверстий (или поясов) по высоте здания более двух.

Подача воздуха снаружи в помещения при аэрации для сооружений, расположенных в холодных климатических районах, предусматривается на двух уровнях:

летом – 0,5 – 1,8 м от отметки пола,

зимой – не менее 4 м.

Для обеспечения устойчивой вытяжки предусматривают так называемые незадуваемые фонари (в верхнем поясе). Схемы таких фонарей изображены на рис. 72.

Рис. 72

В жилых зданиях и небольших общественных сооружениях (школы, больницы, общежития, гостиницы и т. п.) предусматривают канальные системы естественной вентиляции, которые, по существу, являются вытяжными. При этом принимается, что приток происходит неорганизованным путем через форточки в оконных проемах и неплотности в ограждениях. Исключение составляют здания с числом этажей равным и более трех, расположенные в суровых климатических условиях (подрайоны IA, IБ, IГ). В этих условиях разрешается для названных типов зданий устройство приточной вентиляции с механическим побуждением и подогревом воздуха. В некоторых случаях предусматривается и его увлажнение в зимний период.

В жилых здания IУА климатического района часто предусматривают установку автономных кондиционеров или других индивидуальных охлаждающих устройств.

Схемы канальной вентиляции жилых зданий приведены на рис. 73 и

рис. 74.

Первая схема позволит удовлетворительно обеспечивать вентиляцию зданий с числом этажей не более пяти. При большем числе этажей устройство самостоятельного канала каждому вентиляционному отверстию становится невозможным. Поэтому схема предусматривает каналы двух типов – сборные каналы и каналы-спутники, которые присоединяются к сборным. Благодаря большому сечению сборного канала его аэродинамическое сопротивление невелико, что препятствует опрокидыванию циркуляции. На последних этажах в вытяжных отверстиях часто устанавливаются осевые вентиляторы.

Вентиляционные устройства располагаются в верхней части кухонь, санитарных узлов, ванных, душевых. В некоторых случаях при числе комнат в квартире более трех предусматривается вытяжка и из жилой комнаты.

Вентиляционные каналы устанавливают либо внутри кирпичных стен (минимальное сечение 0,5 кирпича), либо в специальных вентиляционных блоках, входящих в конструкцию стены или приставленных к ним. Некоторые возможные варианты таких блоков приведены на (рис.73).

Вентиляционные каналы всегда располагаются во внутренних стенах. Наружные стены исключаются в таких случаях по двум причинам:

- охлаждение воздуха в каналах приводит снижению и без того небольшого располагаемого давления;

- возможно выпадение конденсата из удаляемого воздуха на внутренних холодных поверхностях каналов.

Радиус действия канальных систем естественной вентиляции невелик. не превышает, как правило, 8 – 10 м и существенной зависит от температуры наружного воздуха (см. уравнение (I)). Поэтому расчет этих систем ведется обычно на некоторый условный режим, который, в известном смысле, должен определять предельные возможности системы. В качестве такого режима для жилых и общественных зданий принимаются условия, соответствующие наружной температуре .

Располагаемое давление в канальных системах естественной вентиляции многоэтажных зданий определяют по формуле, предложенной Е.В. Константиновой:

, (99)

где Pi – гравитационное давление, вычисленное по формуле (99);

- перепад давлений наружного и внутреннего воздуха на уровне середины окна соответствующего этажа (табл. 5).

РаРа

Рис. 73

Т а б л и ц а 5. Величины при притоке, равном вытяжке, Па

Этаж здания	при этажности здания

I	4,4	4,9	5,4	5,9	6,37	6,87	7,34	7,85
II	2,94	3,43	3,92	4,4	4,9	5,4	5,9	6,87
III	1,97	2,45	2,45	2,94	3,45	3,92	4,9	5,9
IУ	0,98	0,98	1,47	1,96	2,45	3,45	3,92	4,9
У			0,5	0,98	1,47	1,96	2,94	3,92
УI	-0,49	-0,49			0,49	0,98	1,47	2,45
УII	-1,47	-0,98	-0,49		0,49	0,49	0,49	0,98
УIII	-2,94	-2,45	1,96	-2,47	-0,98
IX	-3,92	-3,45	-2,94	-2,94	-2,45	-1,96	-1,47	0,98
X	-	-4,9	-4,4	-3,92	-3,45	-2,94	-2,45	-1,96
XI	-	-	6,87	-5,9	-4,9	-3,92	-3,45	-2,94
XII	-	-	-	-7,85	-7,34	-6,37	-5,4	-4,4
XIII	-	-	-	-	-8,83	-7,85	-6,87	-5,9
XIУ	-	-	-	-	-	-9,8	-8,83	-7,34
XУ	-	-	-	-	-	-	-10,75	-9,3
XУI	-	-	-	-	-	-	-	-11,8

Методика определения сечения каналов естественной вентиляции аналогична расчету сечения трубопроводов центрального отопления и включает в себя:

- выбор местоположения шахт, каналов и размещение вентиляционных отверстий на планах здания;

- вычерчивание аксонометрической схемы вентиляционной системы;

- определение воздушной нагрузки на каждом участке сети (при этом воздухообмены в помещениях определяются либо расчетом, либо по соответствующим разделам СНиП);

а б

Рис.74. Вентиляционный дефлектор;

а – распределение давления на поверхности внешнего цилиндра;

б – схема дефлектора ЦАГИ; 1 – патрубок для соединения с шахтой; 2 – диффузор; 3 – зонт (от атмосферных осадков); 4 – внешний цилиндр дефлектора.

- расчет вентиляционных каналов, шахт, воздуховодов и определение габаритов вентиляционных решеток (при этом потери напора на преодоление линейных и местных сопротивлений не должны превышать располагаемого давления).

Для увеличения располагаемого давления в системах естественной вентиляции широко используются специальные устройства – дефлекторы (рис.74). Обычно они устанавливаются над вытяжными шахтами. Действие дефлекторов основано на использовании своеобразного распределения давления на поверхности цилиндра, обдуваемого ветром, когда под раздражением оказывается примерно 6/7 его поверхности (рис. 74 -а). Последнее обстоятельство приводит к перемещению воздуха за пределы дефлектора и, соответственно, помещения.

Остановимся несколько подробнее на механизме этого явления.

Разность между давлением воздуха в помещении и в зоне разрежения можно определить по формуле (100)

, (100)