Задача нахождения расхода теплоты на нагрев инфильтрационного воздуха в холодный период года является чрезвычайно сложной и до настоящего времени не имеет чёткого научного, методического и инженерного решения. Наиболее точно современное состояние вопроса расчёта тепловой инфильтрационной нагрузки для систем отопления сформулировано профессорами В. Н. Богословским и А. Н. Сканави [1]: «При многообразии решений в условиях множества вариантов исходных данных можно всё же наметить определённые закономерности, которые позволяют обобщить полученные решения». Они указывают, что рекомендации по определению затрат теплоты на нагрев инфильтрационного воздуха имеют значительные допущения и упрощения и допускают приемлемыми ошибки до 15 %.
В статье проведён анализ и систематизация закономерностей расчёта теплоты на инфильтрацию для помещений зданий различного функционального назначения.
Расход теплоты системой отопления на нагревание инфильтрационного воздуха [Вт] составляет:
где Σ(Gин.j) — сумма расходов инфильрационного воздуха через отдельные ограждающие конструкции помещения, кг/ч; св ≈ 1,0 кДж/(кг-°С) — массовая теплоёмкость воздуха; 0,28 — переводной коэффициент [Вт] (1005/3600 = 0,279).
Основной и наиболее сложной при нахождении величиной в (1) является расход наружного воздуха, поступающего в помещение Σ(Gин.j). Приводимые нормативные и справочные расчётные зависимости по определению этой величины учитывают основные закономерности интенсивности инфильтрации, но значительное количество допущений по объёмно-планировочным решениям зданий, функциональному или технологическому предназначению помещений сводят точные аналитические зависимости к полуэмпирическим.
Общий подход к определению воздухообмена при инфильтрации. Поступление наружного воздуха в помещение (инфильтрация) и его удаление (эксфильтрация) осуществляется через любые воздухопроницаемые элементы (наружные стены, входные двери, притворы, стыки панелей, вентиляционные каналы и пр.) при наличии соответствующих аэродинамических перепадов давления Δр [Па], поэтому температурный режим помещений необходимо рассматривать совместно с воздушным режимом. Инфильтрация воздуха через наружные ограждения, аэрация (поступление воздуха в помещение и его удаление через открытые в наружных ограждениях проёмы), естественная вентиляция (осуществление воздухообмена по специально оборудованным каналам) происходит за счёт естественного давления, единого для упомянутых процессов.
Поступление наружного воздуха в помещение и его удаление осуществляется через любые воздухопроницаемые элементы (наружные стены, входные двери, притворы, стыки панелей, вентиляционные каналы и пр.) при наличии соответствующих аэродинамических перепадов давления
Варианты перепадов давлений, на которые рассчитывается инфильтрация, аэрация и естественная вентиляция Δрин: гравитационное давление Δрt давление ветра Δрv; совместное действие гравитационного и ветрового давлений (Δрин = Δрt + Δрv). Инфильтрацию рассчитывают [2] на действие только гравитационных сил, если Δрv < 0,5HΔρg, где Δрин = 0,5(сн - сз)vн2ρн — полная величина ветрового давления [Па] при скорости ветра vн м/с; сн и сз — аэродинамические коэффициенты с наветренной и с заветренной сторон здания; H — вертикальное расстояние между центрами приточных и вытяжных отверстий, м; Δр — разность плотностей воздуха снаружи и внутри помещения, кг/м3. Инфильтрация рассчитывается только на действие ветра при условии Δрv ≥ 10HΔρg. И, наконец, инфильтрация рассчитывается на совместное действие гравитационно-ветрового давления при 0,5HΔρg < Δpv < 10HΔρg.
Расчётная разность давлений Δpин в общем случае определяется величиной гравитационно-ветрового давления и работой механической вентиляции. Для помещений со сбалансированной вентиляцией в условиях стационарного режима количество поступающего в помещение подогретого воздуха равно удаляемому, то есть Lпрρпр = Lудρв, и интенсивность инфильтрации зависит только от гравитационно-ветрового давления.
Совместный расчёт гравитационного и ветрового давлений. Рассмотрим наиболее простой случай расчёта характеристик интенсивности инфильтрации воздуха через наружные ограждения одноэтажного здания. При этом следует учитывать распределение скоростей набегающего потока по вертикали, которое оценивается зависимостью [3]:
где vн — скорость воздуха на расстоянии h от поверхности земли у препятствия; vн∞ — постоянная скорость воздуха на большом расстоянии h∞ от препятствия.
Инфильтрация воздуха через наружные ограждения основана на физическом эффекте поровой инфильтрации [4-6]. Тепловой эффект при поровой инфильтрации заключается в возврате трансмиссионных потерь теплоты, то есть ограждение превращается в своеобразный регенеративный теплообменник. При инфильтрации наружного воздуха одновременно происходит осушение наружных ограждений. Зависимости между расходом инфильтрационного воздуха и сопротивлением теплопередаче воздухопроницаемого ограждения подробно проанализированы и приведены в работе [5]. Сокращение общих трансмиссионных потерь теплоты может составлять до 23,1 %.
В то же время в наружных ограждениях возможен противоположный процесс — эксфильтрация внутреннего воздуха, сопровождающаяся увеличением потерь теплоты через ограждения. Это явление вызывает необходимость разработки условий включения всех наружных стен в режим устойчивой инфильтрации за счёт относительно предсказуемого гравитационного давления Δрt и случайного по величине ветрового давления Δрv (рис. 1).
Рассмотрим наиболее простой случай расчёта характеристик интенсивности инфильтрации воздуха через наружные ограждения одноэтажного здания. При этом следует учитывать распределение скоростей набегающего потока по вертикали
Наименьший перепад давлений для инфильтрации воздуха возникает в верхней плоскости I помещения ΔрtI = h(ρн - ρв)g при ветровом давлении с заветренной стороны Δрvз = 0,5cзvн2ρн. Чтобы заветренная стена находилась в зоне устойчивой инфильтрации, необходимо суммарное избыточное давление в плоскости I выше нуля:
(ΔрtI + Δрvз) ≥ 0.
На графике точка Б должна совпадать с точкой Д. Такое перемещение за счёт естественных источников возможно путём увеличения гравитационного давления при установке вытяжной шахты высотой hш:
ΔрtII = (h + hш)(ρн – ρв)g.
Гравитационное давление, развиваемое шахтой, равно разрежению на заветренной стене:
Δрvз = hш(ρн – ρв)g.
С наветренной стороны общее избыточное давление, вызывающее поровую инфильтрацию, равно (плоскость II):
Δрн = ΔрtII + Δрнз + Δрvн.
Воздушный баланс помещения в холодный период года при горизонтальной поровой инфильтрации (приток через наружные стены с наветренной стороны Gпрн площадью Ан и заветренной стороны Gпрз площадью Аз, вытяжка через шахту Gш) имеет вид:
Gш = Gпрн + Gпрз + Gдоп, (2)
где Gдоп — инфильтрация воздуха через окна, ворота, двери, кг/ч.
Количество инфильтрующегося воздуха через наружную стену площадью Аст составляет:
где Rи — сопротивление воздухопроницанию конструкции, м2-ч-Па/кг.
Средний перепад давлений у наветренной стены равен (рис. 1):
Δpн.ст = Δpvн + Δpvз + 0,5ΔptI;
у заветренной стены:
Δpз.ст = 0,5ΔptI.
После преобразований формулы (3) получаем зависимости в развёрнутом виде по определению количества наружного воздуха, поступающего в рассматриваемое помещение при устойчивой инфильтрации через наветренную Gпрн и заветренную Gпрн стены:
Рассмотрим особенности расчёта количества поступающего инфильтрационного воздуха в помещения различного функционального назначения.
Жилые и общественные здания. Количество инфильтрационного воздуха в жилых зданиях при естественной вытяжной вентиляции, не компенсируемого подогретым приточным воздухом, рекомендуется принимать равным большей из двух величин.
Нормируется удельный расход воздуха в размере gуд = 3 м3/ч на 1 м2 площади Апом жилых помещений и кухни. Общий расход составляет, кг/ч:
ΣGин = gудАпомρв. (6)
По другой методике суммарный расход инфильтрационного воздуха зависит от вида, характера и длины l [м] неплотностей в наружных ограждениях и определяется по формуле [1]:
где обозначения с индексом 1 относятся к окнам, балконным дверям и фонарям, с индексом 2 — к наружным дверям, воротам и открытым проёмам, с индексом 3 — к стыкам стеновых панелей (эта составляющая учитывается только для жилых зданий); 0,21 — коэффициент, учитывающий перепад давления Δро = 10 Па, при котором определены расчётные значения Rи.I (0,21 = 1/10(2/3)); Δр — перепад давления на поверхности соответствующих ограждений.
Всё актуальнее становится практический вопрос регламентации методики расчёта расхода теплоты на подогрев инфильтрационного воздух в помещениях с герметичными окнами и внутренними дверями, в которых формируется индивидуальный воздушный режим
Два ведущих отечественных учёных-теплофизиков страны в учебнике [1] не смогли выразить своё окончательное мнение о целесообразности и преимуществах расчётов расходов инфильтрационного воздуха в холодный период года в жилых и общественных зданиях в целом по зависимостям (6) или (7). Первая из них не связана с физическими явлениями теплопереноса и аэродинамики. Во второй введено столько допущений и предположений, что субъективизм при выборе исходных данных неизбежно приведёт к недопустимым для инженерных расчётов расхождениям в конечных результатах.
Окончательно усложнило определение количества поступающего в помещение инфильтрационного воздуха предписание СНиП [7]: «Максимальный расход теплоты на нагревание наружного воздуха следует учитывать для каждого помещения при наиболее неблагоприятном для него направлении ветра. При расчёте тепловой нагрузки здания с автоматическим регулированием расход теплоты на инфильтрацию следует принимать при наиболее неблагоприятном направлении ветра для всего здания». Необходимость автоматического регулирования расхода теплоты привела авторов нормативного документа к подмене понятий. Безусловность подачи системами отопления расчётного количества теплоты для поддержания температурного режима в конкретном помещении путается с уменьшением нерациональных дополнительных потерь теплоты при эксплуатации систем теплообеспечения здания при температуре наружного воздуха выше расчётной (холодной пятидневки). Поэтому системы автоматики не могут влиять на расчёт потерь теплоты от инфильтрации наружного воздуха на подогрев инфильтрационного воздух в помещениях с герметичными окнами и внутренними дверями, в которых формируется индивидуальный воздушный режим. Герметичность окон и входных дверей гарантирует отсутствие инфильтрации холодного воздуха через них. Такие жилые помещения возможно эксплуатировать только при наличии систем механической приточной вентиляции с подогревом воздуха, вытяжная вентиляция допускается как механическая, так и естественная.
Таким образом, расход теплоты на подогрев наружного инфильтрационного воздуха при определении расчётной мощности систем отопления рассматриваемых жилых зданий должен отсутствовать. В противном случае этот расход теплоты учитывается дважды. Это важное обстоятельство по экономии теплоты в помещениях с герметичными окнами и дверями не отражено и не регламентируется ни в нормативной, ни в специальной технической литературе и требует дальнейшего изучения.
Промышленные здания. Помещения промышленных зданий оснащены инженерными системами создания и поддержания параметров микроклимата согласно санитарно-гигиенических или технологических требований. Режимные карты эксплуатации отопительно-вентиляционного оборудования переменны в течение суток. В помещениях часто создаётся искусственный дисбаланс по расходам воздуха, перетекание воздушных масс в пределах одного или нескольких смежных помещений. Эти объективные факты создают дополнительные трудности в определении перепадов гравитационно-ветрового давления на наружных ограждениях и не позволяют на практике использовать имеющиеся приближенные зависимости нахождения расходов инфильтрационного воздуха для жилых и общественных зданий.
Следует констатировать на отсутствие в настоящее время методик не только аналитического, но и ориентировочного расчёта расхода инфильтрационного воздуха ΣGин для определения мощности систем отопления. Ранее применялись полученные из практического опыта методы определения величины ΣGин. Например, приведённые в справочнике [8] результаты, несмотря на относительную точность, учитывали физические процессы инфильтрационных явлений в зависимости от объёмно-планировочных и конструктивных решений производственных зданий.
Массовый расход воздуха [кг/ч], инфильтрующегося через щели притворов окон, фонарей, дверей и ворот, определялся по формуле:
ΣGин = Σ(aпрGil), (8)
где апр — коэффициент, принимаемый по табл. 1; Gi — расход воздуха [кг/ч], поступающего через 1 м длины щели в зависимости от скорости ветра в холодный период года (табл. 2), скорость ветра принимается средней за три наиболее холодных месяца; l — длина щелей притворов, м.
Для определения длины притворов рекомендуется: притворы открывающихся створок фонарей, не защищённых от задувания ветром, учитывать только с одной стороны фонаря; инфильтрацию через притворы открывающихся створок окон, дверей и ворот учитывается в зависимости от направления ветра для частей зданий, обведённых на рис. 2 жирными линиями.
Производственные сельскохозяйственные здания. Для данных помещений расход теплоты ни подогрев инфильтрационного воздуха Qин при определении мощности систем отопления учитывать не требуется, как было показано в [9]. Во-первых, допустимый температурный режим в холодный период года поддерживается за счёт физиологических или биологических явных тепловыделений животных, птиц, хранящегося биологически активного сырья. Системы отопления в классическом виде с использованием искусственно генерируемой теплоты отсутствуют (Qот = 0). Инфильтрационный воздух является частью минимально необходимого количества приточного воздуха Gн.min для удаления влаги. Во-вторых, по технологиям содержания птиц и хранения сочного растительного сырья здания выполняются без окон. Наружные двери и ворота снабжены тамбурами. При необходимости расчёта инфильтрации воздуха через окна помещений крупного рогатого скота используется методика расчёта горизонтальной вентиляции за счёт ветрового давления. Она осуществляется через специальные щелевидные регулируемые по воздухопроницаемости проёмы в продольных стенах помещений.
Схема регулируемой инфильтрация через воздухопроницаемые проёмы приведена на рис. 3. Она состоит из щелевидных проёмов, расположенных под окнами. Проёмы заполняются каким-либо местным пористым материалом (соломой, сеном и т.п.). Основы аэродинамического расчёта систем регулируемой инфильтрации (горизонтальной вентиляции) приведены в работе [10]. Ветровое давление на наветренной стороне здания равно рн = снрд, на заветренной стороне рз = cзрд, где рд = 0,5vн2ρн — динамическое давление ветра.
Аэродинамические коэффициенты для типовых животноводческих зданий лежат в интервале сн = +0,6...+0,8 для наветренной стороны и сз = -0,4...-0,2 для заветренной стороны [10, 11].
В конечном виде площади щелевидных проёмов с наветренной Aщ.н и заветренной Ащ.з [м2] равны:
При расчёте регулируемой инфильтрации через воздухопроницаемые проёмы пользуются графическими зависимостями, связывающими коэффициент расхода воздуха μ со степенью плотности набивки материала. На рис. 4 приведены значения коэффициента (μ при заполнении инфильтрационных щелей соломой с различной плотностью. По коэффициенту расхода μ и требуемой по заданному расходу воздуха скорости в проёме определяется степень его заполнения и средняя скорость потока наружного воздуха в поперечном сечении щелей.
Количественное определение ветрового давления с наветренной рн и заветренной рз сторон здания по аэродинамическим коэффициентам сн и сз необходимо проводить по средней скорости и повторяемости направления ветра за январь месяц, приводимых в СНиП [12]. За расчётную принимается наибольшая алгебраическая разность полученных значений аэродинамических коэффициентов (сн - сз).
Сопротивление воздухопроницаемости окон Rи.ок определяется по действующим нормам, а для наружных дверей и ворот животноводческих зданий следует принимать Rи.дв = 0,3 м2-ч-Па/кг [5].
Заключение
Инфильтрационная нагрузка при расчёте мощности систем отопления требует дальнейшего теоретического и экспериментального изучения и обоснования. Нормативные значения инфильтрационного воздуха и методики их расчёта должны дифференцироваться не только по видам зданий (гражданские, промышленные, сельскохозяйственные), но и по их конкретному функциональному назначению, объёмно-планировочным решениям, увязываться с необходимостью естественной или механической вентиляции помещений.
Для современных многоквартирных жилых зданий с герметичными светопрозрачными ограждениями существующие методики вообще неприемлемы, они противоречат аэродинамическим явлениям переноса массы воздуха и теплоты.
Для современных многоквартирных жилых зданий с герметичными светопрозрачными ограждениями существующие методики вообще неприемлемы, они противоречат аэродинамическим явлениям переноса массы воздуха и теплоты
Разработка четкой регламентации и конкретизация расходов инфильтрационного воздуха является основой повышения энергоэффективности систем отопления и теплообеспечения проектируемых и эксплуатируемых зданий и сооружений в целом.
В статье профессора В. И. Прохорова [13] рассмотрена методология оптимизации удельных теплоэнергетических показателей зданий (систем отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха, горячего водоснабжения) в условиях резкоконтинентального климата Российской Федерации. Проанализированы причины перерасхода топливных ресурсов из-за «переутепления» зданий, методологической путанице при проектировании, юридических казусов при энергоаудите, снижения уровня теплового комфорта в помещениях. Авторами при расчёте дефицита теплоты в помещениях проведен конкретный анализ и критический обзор составляющих мощности систем отопления.
