ЕСТЕСТВЕННАЯ ВЕНТИЛЯЦИЯ ЖИЛЫХ ЗДАНИЙ

2.1. Основные положения

В соответствии с нормами проектирования, в жилых зданиях предусматривается вентиляция с естественным побуждением. Согласно [1] расчетная температура наружного воздуха равна +5 ^оС.

Принимается следующая схема вентиляции квартир. Отработанный воздух удаляется из кухонь и санитарных помещений вследствие перепада давления, вызванного разностью температур внутри помещения и снаружи. Приточный воздух поступает неорганизованно через неплотности наружных ограждений (в основном, оконного заполнения).

Действие ветра может улучшать или ухудшать вентиляцию помещений в зависимости от того, расположены последние на наветренной или заветренной стороне здания. Поэтому при расчете естественной вентиляции скорость ветра принимается равной нулю.

Квартира рассматривается в качестве единого воздушного объема. Приточный воздух движется из жилых комнат в кухню и санузел через открытые внутриквартирные двери, которые должны быть снабжены решетками или должны иметь подрезку дверного полотна для перетока воздуха. Согласно нормам, площадь дверных решеток в помещениях кухонь и санузлов, в которых установлены газовые водонагреватели и плиты, должна быть не менее 0,02 м², высота зазора под дверями – не менее 2 см. В кухнях-столовых расход приточного воздуха должен составлять не более 50% расхода вытяжного воздуха.

Требуемые воздухообмены (м³/ч) и расчетные температуры воздуха (^оС) в квартирах рассмотрены в примере 1. Они обеспечивают нормальный влажностный режим помещений (j = 30¸65 %), при котором исключается возможность образования конденсата на внутренних поверхностях наружных ограждений.

До введения новых требований по теплосбережению нормативный воздухообмен в помещениях обеспечивался за счет высокой воздухопроницаемости оконных блоков, в которых либо вовсе не было уплотнений, либо использовались 3 типа в меру воздухопроницаемых прокладок: губчатая резина, пенополиуретан, полушерстяной шнур. Окна с такими прокладками обеспечивали «дежурный вентиляционный фон» в помещениях. Его можно было регулировать заменой типа уплотняющих прокладок.

В современном жилищном строительстве используются окна с повышенными теплозащитными свойствами - стеклопакеты. Их конструкции герметизированы плотными резиновыми и пластмассовыми воздухонепроницаемыми уплотнителями притворов.

Однако, высокая герметичность современных окон делает практически неработоспособными системы естественной вентиляции. В квартирах со стеклопакетами ухудшается качество воздуха, повышается влажность, возрастает вероятность грибковых поражений строительных конструкций.

Низкая воздухопроницаемость современных окон может обеспечить поступление необходимого количества наружного воздуха только на первых этажах здания, где имеет место повышенная инфильтрация в результате наибольшего перепада давлений. Через окна квартир верхних этажей воздух из-за недостаточного перепада давлений (менее 2,5 Па) практически не поступает. Вентиляцию приходится организовывать за счет периодического открывания форточек, что создает проблемы зимой. Для решения указанных проблем в [7] рекомендуется:

· приток воздуха в помещения «герметизированных» квартир осуществлять через приточные клапаны, устанавливаемые в переплете окна или в наружной стене;

· удаление воздуха из помещений квартир верхних этажей с индивидуальными вертикальными каналами осуществлять индивидуальными бытовыми вытяжными вентиляторами на каждом отдельном канале;

· для увеличения располагаемого давления в каналах вытяжные шахты на кровле следует оборудовать дефлекторами;

· рекомендуемое сечение канала на кухне должно составлять 140´270, размер вентиляционных решеток 200´250.

2.2. Расчет систем вентиляции малоэтажных зданий

Системы вытяжной вентиляции с естественным побуждением в зданиях малой этажности (до 5 этажей) выполняются в виде индивидуальных вертикальных каналов, выходящих в общую вытяжную шахту в пределах чердака и выхода через кровлю. Из каждого помещения выводится на чердак отдельный вентиляционный канал. Объединять их в стенах запрещается во избежание перетока воздуха из одних помещений в другие. В зданиях, имеющих дымовые трубы печей, каминов, котлов, проточных газовых водонагревателей, каналы вентсистем следует примыкать к стенам дымоходов или располагать в теле общей с ними сборной вытяжной шахты, что способствует увеличению естественного напора (тяги).

Для уменьшения количества вытяжных шахт вертикальные каналы допустимо объединять горизонтальными сборными каналами (коллекторами), которые прокладывают по утеплителю чердачного перекрытия. В бесчердачных зданиях горизонтальные сборные коллекторы устраивают под потолком лестничных клеток или в подшивке коридора верхнего этажа. Рекомендуется объединять каналы от однотипных помещений и выходящих на один фасад здания. Радиус действия вентиляционных систем с горизонтальным коллектором следует принимать не более 8 м.

Сборные вытяжные шахты или короба на чердаке выполняются из малотеплопроводного материала, чтобы не было переохлаждения воздуха при низких наружных температурах - это ухудшает тягу и может вызвать конденсацию водяных паров в удаляемом воздухе.

Особое значение для устойчивой тяги в вентканалах имеет высота вывода оголовков вентиляционных шахт над кровлей. Согласно [7] шахту необходимо выводить:

· на 0,5 м выше конька крыши при расположении их (считая по горизонтали) не более 1,5 м от конька крыши;

· в уровень с коньком крыши, если они отстоят на 1,5¸3,0 м от конька крыши;

· ниже конька крыши, но не ниже прямой, проведенной от конька вниз под углом 10° к горизонту, при расположении их от конька более 3 м.

Во всех случаях высота трубы над прилегающей частью крыши должна быть не менее 0.5 м, для домов с совмещенной кровлей (плоской крышей) - не менее 2 м.

Аэродинамический расчет систем естественной вентиляции сводится к проверке пропускной способности каналов при заданной их конструкции и расчетном располагаемом гравитационном давлении.

Пример 6. Выполнить расчет системы вентиляции ВЕ-1 трехэтажного жилого дома, фрагмент плана и разрез которго показан на рис. 14.

В здании предусмотрены окна типа ОРС с тройным остеклением с раздельноспаренными деревянными переплетами по ГОСТ 16289-86. Воздухопроницаемость окон по данным завода-изготовителя составляет G_и = 6 кг/ч на м² при разности давлений 10 Па.

В кухнях, оборудованных 4-х конфорочными газовыми плитами и газовыми проточными водонагревателями, а также в помещениях санузлов и ванных комнат предусматриваем индивидуальные вентиляционные каналы из керамического кирпича К-75/1/15 (ГОСТ 530-95) размером 140´140 мм. Вытяжные отверстия каналов закрываем пластмассовыми решетками РВП3 200´120 (ГОСТ 13448-82, коэффициент живого сечения h = 0,65), которые устанавливаем под потолком помещений на расстоянии 500 мм.

Вентиляционные каналы системы ВЕ-1 (рис. 14) выше перекрытия 3-го этажа объединяем общей кирпичной вытяжной шахтой высотой 2.6 м с толщиной стенок 120 мм, утепленной в пределах чердака минераловатными матами (r=200 кг/м³) толщиной 80 мм (теплотехнический расчет конструкции шахты не приводится).

Узел завершения вытяжной шахты выполняем в виде прямоугольного зонта с заглушенными торцами, который устанавливаем над шахтой на штырях высотой 200 мм.

Приток воздуха в комнаты предполагаем неорганизованным за счет инфильтрации через неплотности заполнений оконных проемов, так как воздухопроницаемость окон соответствует требованиям [5].

Проверку пропускной способности каналов системы ВЕ-1 проводим при температуре наружного воздуха +5 ^оС. Расчет ведем в следующем порядке.

1. Расчетное гравитационное давление в указанный период различно для каналов каждого N этажа и определяется по формуле:

D , Па , (2.1)

где - расстояние от центра жалюзийной решетки этажа до устья вытяжной шахты, м;

- ускорение свободного падения, м²/с;

- плотность наружного воздуха при температуре +5 ^оС, имеет величину 1.27 кг/м³;

- плотность внутреннего воздуха помещения, кг/м³, определяемая по формуле

, кг/м³. (2.2)

Так, для кухни 3-го этажа при температуре воздуха ^оС и его плотности кг/м³, имеем

D Па.

При проектировании естественной вентиляции жилых зданий с воздухопроницаемостью оконных проемов G_и не менее 6 кг/ч на м² считают, что все располагаемое гравитационное давление расходуется только в вытяжных каналах (сопротивление входу воздуха в помещения здания не учитывается).

2. Задаваясь расчетным расходом воздуха L= 90 м³/ч, определяем требуемую площадь сечения канала из кухни 3 этажа:

, м² , (2.3)

где V_рек – рекомендуемая скорость движения воздуха по участку. В вертикальных каналах при естественной вентиляции принимается 0,5 ¸1,0 м/с (табл. 22.13 [8]).

м².

Требуемой площади соответствуют кирпичные каналы размером 1/2´1 ( м²) и 1´1 ( м²) – см. таблицу 2.1 или табл.22.7 [8].

Таблица 2.1

Размер в кирпичах	Размеры А´Б, мм	Площадь сечения F, м2	, мм
1/2´1/2	140´140	0.02
1/2´1	140´270	0.038
1´1	270´270	0.073

Однако, исходя из рекомендуемой стандартизации строительства, принимаем и проверяем канал размером 1/2´1/2 ( м²), аналогичный для каналов нижних этажей.

3. Фактическая скорость воздуха в канале 1/2´1/2 будет равна

м/с. (2.4)

4. Эквивалентный (по скорости) диаметр кирпичного канала определяем по табл. 2 или по формуле:

мм. (2.5)

5. Потери давления на трение в расчетном канале длиной l =3.6 м при скорости V = 1.25 м/си диаметре канала = 140 мм определяются по формуле:

Па, (2.6)

где R – потери давления на 1 м длины канала, Па/м. Значения R определяются по таблице 22.15 [8]) или по номограмме П3.1 Приложения, составленным для круглых стальных воздуховодов;

b – коэффициент учета шероховатости стенок канала (табл. 22.12 [8]). При шероховатости стенок канала из кирпича k=8 мм и скорости в канале V = 1.25 м/с значение коэффициента b = 1.53.

6. Рассчитываем потери давления в местных сопротивлениях канала. Для каждого вида местного сопротивления по таблицам 22.16¸22.44 [8] или по рис. П3.2 Приложения 3 определяем коэффициент местного сопротивления x:

Характеристика местных сопротивлений	x
Решетка входная штампованная 200´120 мм, f=0.024 м2, fжс=0.0156 м2, xо=2.0, табл.22.21[8] , где Vo – скорость воздуха в решетке	3.29
Колено с острыми кромками (вход с поворотом под 90о) квадратного сечения, табл.22.23[8]	1.2
Внезапное расширение потока в шахте при f/F=0.02/0.199=0.1, табл. 22.31 [8]	0.81
Вытяжная шахта с зонтом (серия 1.494-32), табл. 22.20 [8]	1.15
	Sx=6.45

При Sx=6.45 и динамическом давлении Па потери на местных сопротивлениях участка составляют

Па. (2.7)

Общие потери давления на участке равны:

Па, (2.8)

т.е. более чем в 3 раза превышают располагаемое давление =2.12 Па.

Фактически через канал кухни 3 этажа размером 1/2´1/2 будет удаляться следующее количество воздуха:

м³/ч, (2.9)

что меньше нормы, установленной для кухонь жилых зданий. Однако в нашем случае, дымовой канал от газового нагревателя надлежит рассматривать как дополнительный вытяжной канал с расчетной интенсивностью в нерабочем режиме 45 м³/ч (расчет газохода не приводится). Суммарное количество удаляемого из кухни воздуха составит 95 м³/ч, что соответствует нормам.

Располагаемые гравитационные давления для каналов кухонь 1¸3 этажей и результаты расчетов потерь давления в них представлены в таблице 2.2. Там же приведены расчеты каналов санузлов рассматриваемого дома.

Таблица 2.2

Аэродинамический расчет вентиляционных каналов системы ВЕ-1 жилого дома

Как видно из таблицы, все каналы кухонь при заданных размерах вентканалов 140´140 мм обеспечивают нормативное удаление воздуха (при дополнительной вытяжке через дымоотводящие каналы водонагревателей).

Размеры каналов санузлов и ванных комнат соответствуют требуемому расходу удаляемого воздуха и на отдельных этажах могут требовать монтажной регулировки путем уменьшения живого сечения вытяжных решеток.

Пример 7. Рассчитать систему вытяжной вентиляции с горизонтальным коллектором ВЕ-3 в трехэтажном жилом доме. Основные конструктивные решения по устройству вентиляции показаны на рис.15.

Расчетная схема системы ВЕ-3 с указанием нагрузок и длин отдельных участков показана на рис. 15, г. Вытяжные отверстия каналов кухонь закрыты решетками 200´250, h = 0,5.

Внутристенные вертикальные каналы – кирпичные с протиркой швов (абсолютная шероховатость стенок k = 4 мм, табл. 22.11 [8]). Чердачный горизонтальный канал (коллектор) с двойными утепленными стенками выполнен из шлакобетонных плит – k =1.5 мм. Сборная шахта - деревянная, для пожарной безопасности обшитая изнутри и снаружи кровельным железом (k =0.1мм) по войлоку, смоченному в глине. Для предотвращения «опрокидывания» при ветре на устье шахты установлен дефлектор.

Расчет системы ведем по методике, рассмотренной в Примере 6.

1. Основное расчетное направление принимаем по участкам 1¸3, имеющим наибольшую нагрузку и наименьшее располагаемое давление. По данным Примера 6 оно составляет =2.12 Па.

Принимаем, что конструкция окон соответствует нормам по воздухопроницаемости и все располагаемое гравитационное давление расходуется только в вытяжных каналах.

2. Расчет основного направления (главной магистрали). Подбор размеров каналов на участках 1¸3 и определение потерь давления в них будем вести с таким расчетом, чтобы суммарное сопротивление по расчетному направлению не превышало на величину запаса 5¸10%, т.е.

.

При расчетном расходе воздуха L₁=90 м³/ч по формуле (2.3) определяем требуемую площадь сечения участка 1:

м².

Требуемой площади соответствуют кирпичные канал 1/2´1 ( м²) и канал 1´1 ( м²) – см. табл. 2.1. При толщине внутренней стены в 1,5 кирпича удобнее принять размеры канала 1/2´1.

Фактическая скорость воздуха на участке 1 будет иметь следующее значение:

м/с.

Эквивалентный диаметр канала

мм.

Потери давления на трение на участке l = 0.8 м при V = 0.66 м/си диаметре канала = 185 мм определяются по формуле (2.6):

Па.

Коэффициенты местных сопротивлений на расчетном участке:

Характеристика местных сопротивлений	x
Решетка жалюзийная 200´250 мм, f=0.05 м2, fжс=0.028 м2, 0.86 м/с	3.4
Колено переменного сечения (вход с поворотом) при f/F=0.028/0.038=0.74	1.27
Колено переменного сечения (у коллектора 400´270) при f/F=0.038/0.108=0.35	1.45
Конфузор между решеткой и каналом размерами 225´125/140´270 при a=40о	0.19
Тройник вытяжной (на ответвление) при fо/fп =0.108/0.16=0.67 и Lо/ Lс =90/270=0.33	-1.6
	Sx=4.71

При значениях Sx=4.71 и (Па) местные потери составят:

Па.

Общие потери давления на участке 1 равны:

Па.

Результаты расчета участка 1, а также остальных участков системы сводим в таблицу 2.3.

Коэффициенты местных сопротивлений x для расчетных участков магистрали 2 и 3 следующие:

Полные потери давления по участкам 1¸3 составляют

Па,

что меньше располагаемого давления .

Запас давления:

(допустимая величина).

3. Увязка всех остальных участков системы. Увязка при аэродинамическом расчете проводится так, чтобы потери давления от точки разветвления (тройника) до конца ответвления были равны потерям от этой же точки до конца ответвления на главной магистрали, т.е.

. (2.10)

Для расчета ответвлений применяется способ последовательного подбора. Размеры сечений ответвлений считаются подобранными, если относительная невязка потерь давления не превышает 15%.

По конструктивным соображениям и из условий типизации деталей размеры поперечного сечения ответвлений принимаются одинаковыми для однотипных помещений каждого этажа. Из-за разных значений располагаемого давления для некоторых каналов могут наблюдаться значительные избытки давления. Эти избытки можно погасить двумя способами:

· уменьшить живое сечение входной решетки;

· поставить шибер или перегородить часть сечения канала металлической пластиной.

Если не прибегать к искусственному увеличению сопротивления (дросселированию), то через каналы разных N этажей будет проходить различное количество воздуха (см. формулу 2.9).

Результаты увязки отдельных ответвлений системы сводим в табл. 2.3.

Увязка участков 4 и 5. Располагаемое гравитационное давление для канала кухни 2 этажа составляет

Па, (2.11)

где h_эт – высота этажа, м.

Располагаемое давление для расчета участков 4 и 5

Па. (2.12)

Подсчет коэффициентов местных сопротивлений –

Увязка участков 6 и 7. Располагаемое гравитационное давление для канала кухни 1 этажа

Па.

Располагаемое давление для расчета участков 6 и 7:

Па.

Подсчет коэффициентов местных сопротивлений –

Невязка давлений на участках 6¸7 является недопустимой. Дополнительное сопротивление в размере (Па) вводится при наладке системы путем уменьшения живого сечения жалюзийной решетки на канале кухни первого этажа. Для индивидуальных вытяжных каналов санузлов принимаем сечение 1/2´1/2 кирпича. Расчеты данных участков выполняются аналогично и в таблице 2.3 не приводятся.

Табл. 2.3

Аэродинамический расчет вентиляционных каналов 3-этажного жилого дома

№ уч.	Рас-ход м3/ч	l, м	Размеры канала	V м/с	R, Па/м	b	DPтр, Па	Sz	Рд, Па	Z, Па	Rlb+Z, Па
А, мм	Б, мм	F, м2	dэкв
Главная магистраль
		0,8			0,0378		0,66	0,05	1,33	0,05	4,71	0,27	1,26	1,31
		0,5			0,16		0,47	0,01	1,1	0,01	1,20	0,13	0,16	0,17
		2,3			0,16		0,73	0,02	1,00	0,05	1,20	0,33	0,39	0,44
														1,92
Ответвление 1 (Располагаемое давление – 3.27 Па)
		3,8			0,0378		0,66	0,05	1,33	0,25	7,41	0,27	1,98	2,23
		0,5			0,16		0,31	0,00	1,08	0,00	2,50	0,06	0,15	0,15
														2,38
Невязка .
Ответвление 2 (Располагаемое давление – 4.89 Па)
		6,8			0,0378		0,66	0,05	1,33	0,44	6,31	0,27	1,69	2,13
		0,5			0,16		0,16	0,00	1,03	0,00	2,30	0,01	0,03	0,04
														2,17
Невязка .

Пример 8. Рассчитать необходимое число приточных клапанов для квартир в жилом доме по Примеру 7.

В здании использованы пластиковые окна РС раздельно-спаренной конструкции с одним стеклом и стеклопакетом. Воздухопроницаемость окон по данным производителя составляет Q =12.5 м³/м² ч или G_и=15,12 кг/м² ч при DР =100 Па.

Фактическая воздухопроницаемость окон со стеклопакетами в помещениях верхнего этажа, для которых располагаемое давление DР =2.1 Па, составит

кг/м² ч. (2.13)

что в 5 раз выше нормируемой величины.

Для обеспечения нормативного воздухообмена при естественной вентиляции и низкой воздухопроницаемости наружных ограждений рекомендуется устанавливать в рамах окон жилых помещений автоматические приточные клапаны.

На российском рынке хорошо зарекомендовали себя клапаны “AIRECO” (Франция). По внешнему виду приточное устройство представляет собой небольшой пластиковый пенал под цвет окна, который устанавливается на щель 354´15 мм, прорезаемую в верхней части оконной рамы. При этом не требуется демонтировать окно или заменять стеклопакет. Регулирование количества свежего воздуха происходит автоматически, без участия жильцов и без использования электропитания. Внутри клапана находится специальный датчик – привод из специальной полиамидной ткани, реагирующей на влажность воздуха. С повышением влажности в помещении ширина щели в клапане увеличиваются, обеспечивая увеличение притока воздуха. Коэффициент местного сопротивления клапана в широком диапазоне измерения расхода практически постоянный и равен .

При использовании приточных клапанов в расчете систем естественной вентиляции необходимо учитывать сопротивление во всем воздушном тракте системы, включая потери давления в приточном клапане

, Па, (2.14)

где - потери давления, соответственно, в приточном клапане, вентканале и шахте, Па.

Для создания запаса располагаемого давления на преодоление сопротивления приточных клапанов необходимо на оголовках вентиляционных шахт установить дефлекторы ЦАГИ по сер. 5.904-51. При средней скорости ветра в Казани V_н= 4,3 м/с в период с t_н<8 ^oC [3] дополнительное разрежение от дефлектора составит

Па, (2.15)

где k – аэродинамический коэффициент круглых дефлекторов ЦАГИ.

Расчет необходимого числа клапанов представлен в табл. 2.4. Режим течения воздуха в основных элементах сети (клапанах, решетках, каналах) принимался турбулентным. В этом случае взаимосвязь располагаемого перепада давлений внутри и снаружи помещений DР с расходом вентиляционного воздуха квартиры G имеет вид:

. (2.16)

Здесь k – характеристика сопротивления воздушного тракта, Па^.ч²/кг², которая определяется по формуле

, (2.17)

где l – приведенный коэффициент сопротивления трения; для кирпичных каналов при турбулентном режиме

; (2.18)

К – абсолютная шероховатость стенок каналов, мм (табл. XI.1 [8]);

G_кл – требуемый расход приточного воздуха через клапан, кг/ч, равный разности значений расчетного воздухообмена квартиры G и расхода воздуха G_ок, проникающего через неплотности окон при инфильтрации

; (2.19)

r_выт, r_пр – соответственно, плотности вытяжного (внутреннего) и приточного (наружного) воздуха при расчетных условиях, кг/м³;

F_выт, F_кл – суммарные площади вытяжных решеток и приточных клапанов квартиры, м².

Количество инфильтрующегося через окна воздуха G_ок, кг/ч определяем по величине их воздухопроницаемости G_и=15,12 кг/м^2.ч при DР=100 Па, пересчитанной на располагаемое давление для каждого этажа по формуле (2.13) и умноженной на суммарную площадь окон квартиры F_ок , м².

В таблице 2.4 коэффициенты местных сопротивлений x_выт в вытяжном тракте приведены к динамическому давлению в вытяжном канале и составляют:

Характеристика местных сопротивлений	x
Решетка входная штампованная 200´120 мм, f=0.024 м2, fжс=0.0156 м2, xо=2.0, табл.22.21[8]	3.29
Колено с острыми кромками (вход с поворотом под 90о) квадратного сечения (см. табл.22.23 [8])	1.2
Внезапное расширение потока в шахте при f/F=0.02/0.199=0.1, табл. 22.31 [8]	0.81
Вытяжная шахта с зонтом и дефлектором (серия 1.494-32), табл. 22.20 [8]	1.15+0,64
	Sx=7.09

Таблица 2.4