Естественная вентиляция

Естественное поступление воздуха через не плотности в стенах, оконных переплётах в строительных наружных конструкциях зданий и сооружений, а также через поры материалов называется инфильтрацией воздуха. Естественное удаление воздуха называется эксфильтрацией воздуха. Инфильтрация и эксфильтрация организуют в помещении определенный воздухообмен не обусловленный расчетными данными.

Естественное удаление воздуха из помещения наружу и поступление его внутрь осуществляются под воздействие ветра и разности плотностей наружного и внутреннего воздуха. Разность плотностей создается разностью температур наружного и внутреннего воздуха.

На наветренной стороне здания давление воздуха больше, чем внутри здания и воздух входит в помещение. При обдувании ветром здания, ветер, встречая на своем пути препятствие в виде здания, затормаживается, меняет свое направление и плавно обтекает здание. При этом на заветренной (подветренной) стороне здания и на кровле создается разрежение – пониженное давление. И воздух выходит из помещения.

Таким образом, за счет разницы давлений воздух с наветренной стороны входит во все проемы и во все не плотности в строительных конструкциях в помещение.

Через все не плотности воздух с заветренной стороны здания выходит из помещения наружу.

Такой естественный воздухообмен называется проветриванием (сквозняком) или неорганизованным воздухообменом.

Инфильтрация наружного воздуха повышает затраты на его подогрев.

Эксфильтрация внутреннего воздуха в холодный период года увлажняет наружные ограждения и уменьшает их теплозащитные свойства.

В общем случае естественный воздухообмен в производственных помещениях со значительными избытками явного тепла происходит под влиянием разности температур внутреннего и наружного воздуха и действия ветра.

Организованный естественный воздухообмен называется аэрацией. При аэрации воздухообмены могут достигать в час миллионов кубических метров. В зимний период аэрация позволяет создать 20 – кратный воздухообмен, в теплый период 50 кратный воздухообмен.

Аэрация устраивается в цехах с большими тепло избытками не менее 100 ккал\м³.ч.: мартеновские, прокатные, электросталеплавильные цехи, кузницы, термические, листопрокатные и конвейерные литейные цехи и пр. Ширина цеха не должна превышать80 м.

Аэрация может функционировать с механической вентиляцией: местные вытяжные и приточные установки. Комбинированная аэрация: естественный приток, механическая вытяжка или механический приток, естественная вытяжка.

Аэрация осуществляется через регулируемые отверстия в наружных ограждениях.

Рис.31. Организация естественного воздухообмена:

а - обтекание здания ветром; б – аэрация однопролётного цеха: 1 - тёплый период года; 2 - холодный период года.

В теплый период года, когда среднесуточная температура наружного воздуха выше +10 град., наружный воздух поступает в помещение через проемы в нижней части здания. Расстояние от отметки чистого пола до низа проема не более 1,8 м.

В холодный период года, когда среднесуточная температура наружного воздуха +10 град. и ниже, наружный воздух поступает в помещения через верхние проемы. В этом случае холодный наружный воздух, поступающий в рабочую зону, нагревается и достигает её с расчётными параметрами.

Удаляется воздух из цеха через отверстия в верхней части помещения. Если здание имеет фонарь, то удаляется воздух через фрамуги фонаря. При отсутствии на здании фонаря для удаления воздуха устраиваются вытяжные шахты либо устанавливаются крышные вентиляторы. Воздух также может удаляться через дефлекторы.

Под действием ветра воздух, поступающий в здание с наветренной стороны, опрокидывает из верхней зоны в рабочую зону циркуляционные потоки, вобравшие в себя тепло, пыль, газы: при этом санитарно-гигиенические показатели в рабочей зоне ухудшаются.

Для регулирования естественного воздухообмена в зависимости от направления и действия ветра площади приточных и вытяжных отверстий следует регулировать, что с эксплуатационной точки зрения не представляется возможным.

Для предотвращения задувания ветром помещения перед вытяжными отверстиями на фонаре устанавливаются ветрозащитные щиты. Щит, установленный перед отверстием фонаря, создаёт разряжение на его створках и воздух при всех случаях выходит из помещения.

Разработаны также не задуваемые фонари, например, фонарь конструкции В.В.Батурина.

Рис. 32. Фонарь конструкции В.В.Батурина

При аэрации естественный воздухообмен обусловливается разностью плотностей наружного и внутреннего воздуха. Наружный воздух, как более плотный, входит в помещение через нижние отверстия. Нагревается в помещении и удаляется из него через верхние отверстия.

Над любым источником тепла возникает тепловая струя. Воздух, прилегающий к источнику, нагревается от него и поднимается вверх. Взамен воздуха, поднявшегося вверх, на его место к источнику тепла непрерывно подтекают новые объемы воздуха. Над источником тепла формируется тепловая струя, устремленная вверх помещения. Тепловая струя достигает потолка и расстилается по нему во все стороны.

В помещение, с одной стороны, поступают приточные струи, с другой стороны возникают конвективные струи над источниками тепла. В помещение возникает циркуляция воздушных потоков.

В результате охлаждения и для питания тепловых и приточных струй часть воздуха возвращается из верхней зоны вниз, а часть, равная притоку удаляется наружу.

Установлено, что если у помещения демонтировать потолок, то и в этом случае воздух из верхней зоны будет возвращаться в нижнюю для питания струй и полностью выходить из помещения не будет.

На рисунке представлены картины течения при аэрации одно, двух и трех пролетного цехов. В двух пролетном цехе наружный воздух поступает в цех через боковые отверстия, взаимодействует с конвективными потоками и выходит через отверстия в фонаре.

В трех пролетном цехе, из которых средний цех холодный и имеет более низкую высоту, воздух поступает в средний пролет и распределяется по горячим пролетам. Удаляется воздух через отверстиях в фонарях горячих цехов.

Рис. 33. Движение воздушных потоков при аэрации:

а- одно пролетный цех; б – двух пролетный цех; в- трех пролетный цех.

Вместе с тем имеет место и другая качественная картины естественного воздухообмена, в частности, И.А.Шепелёва (Рис 34).

В аэрируемом помещении происходит расслоение воздуха по высоте. Возникают две зоны: нижняя, питаемая холодным наружным воздухом, и верхняя, питаемая конвективными потоками, восходящими над нагретым оборудованием. Возникающее расслоение воздуха получение название «температурного перекрытия». На уровне температурного перекрытия возникают скачки температур и концентраций. Причиной возникновения перекрытия является встречное движение воздушных фронтов: фронта приточных струй и фронта тепловых струй. В объеме каждой из зон происходит автономная циркуляция.

Уровень температурного перекрытия обусловливается размерами вытяжных и приточных аэрационных отверстий, т.е. воздухообменом. С уменьшением площади аэрационных проёмов (с уменьшением воздухообмена) высота температурного перекрытия снижается до уровня расположения тепло источника. С увеличением площади проемов (с увеличением воздухообмена) высота температурного перекрытия увеличивается и может достигнуть уровня верхних вытяжных проемов.

Впервые наблюдал явление температурного перекрытия и дал это название Е.В.Кудрявцев (частичная вентиляция промышленных и общественных помещений. Известия АН СССР.1948.№3).Температурное перекрытие моделировал и В.В.Батурин при изучении аэродинамики цеха электролиза алюминия

Рис. 34. Схема температурного перекрытия