Естественная вентиляция

Естественная вентиляция помещений происходит за счет воздействия ветра и гравитации. При естественной вентиляции воздух может поступать в помещение и удаляться из него через специально предусмотренные проемы, а также через неплотности в наружных ограждениях здания, а также через специальные каналы.

Вытяжная естественная канальная вентиляция осуществляется преимущественно в жилых, общественных и административно-бытовых зданиях для помещений, не требующих воздухообмена больше однократного.

Системы вытяжной вентиляции с естественным побуждением для жилых, общественных и административно-бытовых зданий рассчитывают на разность удельных весов наружного воздуха температурой 5 °C и внутреннего воздуха с температурой для холодного периода года. Считается, что при более высоких наружных температурах, когда естественное давление становится весьма незначительным, дополнительный воздухообмен можно получать, открывая более часто и на более продолжительное время форточки, фрамуги, а иногда створки оконных рам.

В производственных зданиях естественную вентиляцию следует проектировать, если она обеспечит нормируемые условия воздушной среды в помещениях и если она допустима по технологическим требованиям.

Системы вентиляции с естественным побуждением для производственных помещений рассчитывают:

а) на разность удельных весов наружного и внутреннего воздуха по расчетным параметрам переходного периода года для всех отапливаемых помещений, а для помещений с избытками теплоты — по расчетным параметрам теплого периода года;

б) на действие ветра скоростью 1 м/с в теплый период года для помещений без избытка теплоты.

Вытяжная естественная канальная вентиляция, рис. 5.4, состоит из вертикальных внутристенных или приставных каналов с отверстиями, закрытыми жалюзийными решетками, сборных горизонтальных воздуховодов и вытяжной шахты.

Рис. 5.4. Схема естественной вытяжной канальной вентиляции

Для усиления вытяжки воздуха из помещений вверху на шахте часто устанавливают специальную насадку – дефлектор. Загрязненный воздух из помещений поступает через жалюзийную решетку в канал, поднимается вверх, достигая сборных воздуховодов, и оттуда выходит через шахту в атмосферу. Для устройства канальной вентиляции изготавливают специальные вентиляционные панели или блоки с каналами круглого, прямоугольного или овального сечения. Наиболее рациональной формой сечения канала и воздуховода следует считать круглую, так как по сравнению с другими формами она при той же площади имеет меньший периметр, а, следовательно, и меньшую величину сопротивления трению при движении воздуха. Вентиляционные каналы естественной вентиляции в гражданских и административно-бытовых зданиях, как правило, прокладываются в толще стен, могут выполняться в виде вентиляционных блоков, быть приставными или подшивными в зависимости от конструктивного оформления здания и внутренней отделки помещений.

В канальных системах естественной вытяжной вентиляции воздух перемещается в каналах и воздуховодах под действием естественного давления, возникающего вследствие разности температур холодного наружного и теплого внутреннего воздуха.

Естественное давление ΔР_е определяют по формуле

ΔР_е = h_i·g·(ρ_н – ρ_в) , Па, (5.19)

где h_i – высота воздушного столба, м; g = 9,81 м/с² – ускорение свободного падения; ρ_н – плотность наружного воздуха при температуре, зависящей от назначения помещения, кг/м³; ρ_в – плотность внутреннего воздуха, кг/м³.

Высоту воздушного столба h_i следует принимать:

- для вытяжных воздуховодов при наличии в помещении только вытяжки – от середины вытяжного отверстия до устья вытяжной шахты; при наличии в помещении притока – от середины высоты помещения до устья вытяжной шахты;

- для приточных воздуховодов – от середины высоты приточной камеры до середины высоты помещения.

Плотность воздуха определяют по таблицам из справочной литературы или по формуле:

, кг/м³, (5.20)

где t – температура воздуха, °С.

Анализируя выражение (5.19), можно сделать следующие практические выводы.

1. При естественной вентиляции верхние этажи здания по сравнению с нижними этажами находятся в менее благоприятных условиях, так как располагаемое давление здесь меньше.

2. Естественное давление становится большим при низкой температуре наружного воздуха и заметно уменьшается в теплое время года.

Кроме того, естественное давление не зависит от длины горизонтальных воздуховодов, тогда как для преодоления сопротивлений в коротких ветвях воздуховодов требуется меньшее давление, чем в ветвях значительной протяженности. Радиус действия вытяжных систем – от оси вытяжной шахты до оси наиболее удаленного отверстия – рекомендуется принимать не более 8 м.

Площадь F, м², и размеры поперечного сечения каналов a и b, м, определяют по скорости воздуха в каналах, V_к , м/с, и расходу воздуха в канале, L_п , м³/с:

F = a × b = , м². (5.21)

Затем производят расчет потерь давления при прохождении воздуха по каналу. Для естественной вентиляции скорость воздуха в каналах принимают не более 1,5—2 м/с. Если при расчете вентиляционной сети получается, что потери давления при перемещении воздуха ΔP_пот = 0,9 ΔP_е , расчет заканчивают, в противном случае производят перерасчет сети или отдельных ее участков, изменяя сечение каналов. Для возможности использования расчетных таблиц сопротивления воздуховодов, выполненных для воздуховодов круглого сечения, при квадратном или прямоугольном сечении определяют так называемый гидравлический диаметр:

d_г = , м, (5.22)

где a и b – поперечные размеры прямоугольного канала, м.

Суммарные потери давления ΔP_c в сети состоят из потерь на преодоление местных сопротивлений и на преодоление трения воздуха о стенки воздуховодов, их определяют по формуле:

, Па, (5.23)

где z – коэффициенты местных сопротивлений; V_к – скорость воздуха в каналах, м/с; ρ – плотность воздуха, кг/м³; R – потери давления на трение на расчетном участке сети, Па/м (на 1 м длины воздуховода); l – длина участков воздуховода (канала), м.

Дефлекторы применяют для увеличения располагаемого давления. Дефлекторами называются специальные насадки, устанавливаемые на концах труб или шахт, а также непосредственно над вытяжными отверстиями в крышах производственных зданий. Назначение дефлектора – усилить вытяжку загрязненного воздуха из различных помещений. Работа дефлектора основана на использовании энергии потока воздуха – ветра, который, ударяясь о поверхность дефлектора и обтекая его, создает возле большей части его периметра разрежение, что и усиливает вытяжку воздуха из помещений.

Дефлекторы изготовляют различных конструкций и размеров. Наиболее распространены дефлекторы ЦАГИ круглой (рис. 5.5) и квадратной форм.

Рис. 5.5. Дефлектор ЦАГИ:

1 – патрубок; 2 – диффузор; 3 – корпус дефлектора; 4 – лапки для крепления зонта-колпака; 5 – зонт-колпак

Размеры отдельных элементов дефлектора указаны в долях диаметра его патрубка. Номер дефлектора соответствует диаметру патрубка в дециметрах. Дефлектор ЦАГИ квадратной формы состоит в основном из тех же элементов, что и круглый.

Разрежение, создаваемое дефлектором, зависит от скорости ветра V_в. Скорость ветра, V_в, определяют по СНиП 23-01-99. Скорость движения воздуха в патрубке дефлектора составляет приблизительно 0,2—0,4 скорости движения ветра, т. е.

V_д = (0,2—0,4)·V_в , м/с. (5.24)

Разрежение, создаваемое дефлектором, определяют по формуле:

P_д = , Па, (5.25)

где – принимают по графику на рис. 5.6 или паспорту на дефлектор в зависимости от принятого соотношения .

Рис. 5.6. График для определения разрежения, создаваемого дефлектором,
и количества удаляемого воздуха:

1 – при круглом сечении; 2 - при квадратном сечении

Дефлекторы рекомендуется устанавливать в наиболее высоких точках здания, непосредственно обдуваемых ветром. Нельзя ставить дефлекторы в зоне подпора ветра, например перед стеной, на которую направлен ветер, вблизи выступающих брандмауэров и т. п., так как в этих условиях возможно опрокидывание тяги, т. е. задувание наружного воздуха внутрь помещения. Не следует также устанавливать дефлекторы между высокими зданиями (в аэродинамической тени).

Жалюзийные решетки устанавливают в местах забора или раздачи воздуха в приточных и вытяжных системах для регулирования количества воздуха, поступающего или удаляемого через отверстия. Наиболее широко применяют жалюзийные решетки с подвижными перьями жалюзи, стандартные размеры их приведены в справочниках и типовых чертежах, выпускаемых Госстроем России. С помощью шнура или троса решетка может быть полностью открыта, полностью или частично закрыта. В газифицированных помещениях устанавливают нерегулируемые решетки.

При повышенных требованиях к внутренней отделке помещений решетки изготавливают из металла, пластика, гипса и придают им разнообразную форму и рисунок. Однако гидравлическое сопротивление этих решеток, а также площадь их живого сечения (живое сечение – суммарная площадь отверстий для прохода воздуха в решетке) должны быть такими же, как и у стандартной решетки. Площадь живого сечения решеток определяют по формуле

F_ж.с. = L / V , м² , (5.26)

где L – объем воздуха, проходящего через решетку, м³/с; V – скорость воздуха в живом сечении жалюзийной решетки, м/с.

Вытяжка из помещений регулируется жалюзийными решетками в вытяжных отверстиях, а также дроссель-клапанами или задвижками, устанавливаемыми в сборном воздуховоде и в шахте.

Аэрация зданий

Аэрация – это организованная и управляемая естественная общеобменная вентиляция через открывающиеся фрамуги окон в наружных ограждениях зданий и вентиляционно-световых фонарей с использованием гравитационного (теплового) и ветрового давлений. Применяется для вентиляции зданий с большими тепловыделениями и позволяет осуществлять воздухообмены, достигающие миллионов м³ за 1 час.

Фрамуги устраиваются с верхним, нижним или средним подвесами. Для удобства открывания фрамуг с отметки пола необходимо устройство приспособлений с механическими или ручными приводами.

Располагаемые в наивысшей точке здания вентиляционно-световые (аэрационные) фонари способствуют интенсификации естественного воздухообмена.

Во избежание нежелательного поступления наружного воздуха через фонарь, что вызывает обратное перемещение загрязненного воздуха из верхней зоны в рабочую (опрокидывание тяги), аэрационные фонари устраиваются незадуваемыми. В таких фонарях открытые проемы защищены от ветра либо щитами, установленными на кровле здания, либо глухими стенками фонаря. При сравнительно небольших воздухообменах применяются дефлекторы, устанавливаемые на крыше здания.

Подачу приточного воздуха в вентилируемые помещения при естественной вентиляции следует предусматривают в теплый период года на уровне не более 1,8 м и в холодный период года – не ниже 4 м от пола до низа вентиляционных проемов. При этом наружный воздух до поступления в рабочую зону смешивается с внутренним воздухом и повышает свою температуру.

Подача неподогретого воздуха в холодный период года на более низких отметках (ниже 4 м от пола) допускается при условии осуществления мероприятий, предотвращающих непосредственное воздействие холодного воздуха на работающих.

В зданиях с естественной вентиляцией (аэрацией) открывающиеся устройства в окнах должны обеспечивать возможность направления поступающего воздуха вверх в холодный период года и вниз – в теплый период года (рис. 5.7).

Рис. 5.7. Аэрация однопролетного цеха

а – схема давлений; б- разрез цеха

Расчет аэрации заключается в определении потребной площади открывающихся фрамуг (приточных – для теплого периода года, – для переходного периода года, – для холодного периода года и вытяжных F_выт ).

При проектировании зданий определяют потребную площадь открывающихся фрамуг, рассматривая наиболее неблагоприятные условия, когда скорость ветра равна нулю. Расчет обычно сначала проводят для теплого периода года.

Расчет аэрации (естественной общеобменной вентиляции) производственного помещения включает три этапа:

1) расчет необходимого воздухообмена в помещении (по параметрам: избыточное тепло, влага, вредные вещества);

2) расчет скорости воздуха в вентиляционных проемах (каналах);

3) расчет площади приточных и вытяжных проемов.

Исходными данными для расчета аэрации являются:

- расчетная летняя температура наружного воздуха для расчета вентиляции, t_н,°С;

- температура воздуха в рабочей зоне, t_рз, °С;

- средняя температура воздуха в цехе, t_ср, °С;

- температура удаляемого воздуха, t_ух, °С;

- высота расположения центров приточных аэрационных проемов от пола, h_пр, м;

- высота расположения центров вытяжных аэрационных проемов от пола, h_выт, м;

- количество избыточной теплоты, выделяющейся в помещении, Q, Вт;

- градиент температуры α (изменение температуры по высоте помещения), °С/м, обычно «для горячих цехов» принимают равным 0,8—1,5 (чаще принимают α = 1,2—1,3);

- коэффициенты местных сопротивлений приточных, z_пр, и вытяжных, z_выт, фрамуг;

- плотность воздуха ρ_н, ρ_ср, ρ_ухпри t_н, t_ср и t_ух .

Расчет необходимого воздухообмена в рассматриваемом помещении следует провести на основе уравнений воздушного и теплового баланса:

ΣG_пр – ΣG_ух = 0; (5.27)

3,6 Q_изб + ΣG_пр·c·t_пр – ΣG_ух c·t_ух = 0, (5.28)

где G_пр – массовый расход приточного воздуха, кг/ч; G_ух– массовый расход удаляемого из помещения воздуха, кг/ч; Q_изб – избыточные теплопоступления в помещение, Вт; с – удельная теплоемкость воздуха, кДж/кг·°С; t_пр и
t_ух – температура приточного и удаляемого воздуха, °С.

Решая совместно уравнения (3.27) и (3.28), получим

G_пр = G_ух = , кг/ч. (5.29)

Температура удаляемого воздуха:

t_ух = t_рз + α (h_выт - 2), °С , (5.30)

где α – градиент температуры, °С/м; h_выт – высота от отметки пола до средины вытяжного проема, м.

Средняя температура воздуха в цехе:

t_ср = (t_ух + t_рз) / 2 , °С. (5.31)

Для расчета аэрации используются условные внешние давления на уровне середины приточных и вытяжных проемов. Принимая за уровень отсчета отметку пола цеха, эти условные давления будут равны

Р_п = g h_пр (ρ_н – ρ_ср) , Па, (5.32)

Р_выт = g h_выт (ρ_н – ρ_ср), Па. (5.33)

Расчетная разность давлений ΔР между приточными и вытяжными проемами, за счет которого будет происходить поступление наружного воздуха в помещение

ΔР = Р_п – Р_выт , Па. (5.34)

Чтобы обеспечить невысокие скорости поступления наружного воздуха и устойчивость восходящих конвективных потоков, площадь приточных проемов принимают возможно большей. В приточных проемах рекомендуется расходовать от 0,1 до 0,3 расчетной разности давлений ΔР, то есть

ΔР_п = (0,1 … 0,3) ΔР ,Па, (5.35)

оставшаяся часть расчетной разности давлений будет потрачена на проход воздуха через вытяжные проемы.

Давление внутри помещения

Р_х = Р_п - ΔР_п , Па. (5.36)

Массовая скорость воздуха , проходящего через приточные фрамуги снаружи внутрь помещения:

, кг/(м²×с). (5.37)

Массовая скорость воздуха , проходящего через вытяжные проемы из помещения наружу:

, кг/(м²×с). (5.38)

Площадь приточных проемов (открывающихся фрамуг):

, м²; (5.39)

площадь вытяжных проемов (открывающихся фрамуг фонаря):

, м². (5.40)

В переходный период года (t_н = 10°С) приточный воздух следует подавать в помещение, как и в холодный период года, не ниже 4 м от пола до низа вентиляционных проемов. Расчет аэрации для переходного периода года следует проводить в той же последовательности (формулы 5.27—5.40), принимая значения t_н, ρ_н, h_пр, z_пр соответствующими переходному периоду года.

Расчет аэрации для холодного периода года обычно не проводят. Аэрационные проемы, открываемые в этот период, расположены на тех же отметках, что и открываемые в переходный период, а их площади определяются условиями эксплуатации (часть проемов закрывают или изменяют угол открывания створок).