Проблеме организации расчётного воздушного режима в помещениях многоквартирных жилых домов, оборудованных системами естественной приточно-вытяжной вентиляции, посвящено значительное число современных научных исследований, в том числе [1–6].
В общем случае конструкции современных систем естественной вентиляции проектируются с целью соблюдения следующего условия:
∆pсист ≤ pр.р, (1)
где ∆pсист — потери давления в системе вентиляции, Па; pр.р — расчётное располагаемое давление, определяемое по следующей зависимости:
pр.р = Hg(rн.р — rв), (2)
где H — расчётная высота воздушного столба, м; g — ускорение свободного падения, м/с2; rн.р — расчётная плотность наружного воздуха, кг/м³; rв — плотность внутреннего воздуха, кг/м³.
В практике современного проектирования за расчётную принимают плотность, соответствующую температуре наружного воздуха +5°C.
Данное условие ограничивает работоспособность систем естественной вентиляции. При температурах наружного воздуха выше +5°C производительность вентиляционных каналов снизится ниже расчётного значения.
Определим относительную производительность вентиляционных каналов систем естественной вентиляции, обслуживающих помещения среднего этажа 17-этажного многоквартирного дома, по следующей формуле:
где pф.р — фактическое располагаемое давление.
Примем два режима работы индивидуальных вентиляционных каналов: при штиле скорость ветра vветр = 0 м/с; при слабом ветре — vветр = 5 м/с.
Во втором режиме также учтём расположение точек забора приточного и удаления вытяжного воздуха на фасадах и кровле здания: наиболее выгодное, соответствующее максимальной разнице аэродинамических коэффициентов cф — cкр = 1,8 (cф = 1, cкр = −0,8); наименее выгодное, соответствующее минимальной разнице аэродинамических коэффициентов cф — cкр = −0,6 (cф = −0,8 и cкр = −0,2).
При расчёте первого режима работы зависимость (3) примет вид:
где rн.ф — фактическая плотность наружного воздуха, кг/м³.
Для расчёта второго режима работы формула (3) будет выглядеть как:
где k — коэффициент, учитывающий плотность городской застройки [7].
Зависимости Lф/Lр от фактической температуры tн.ф наружного воздуха при выбранных режимах работы приведены на рис. 1 и 2. Приведённые графики построены для систем вентиляции, геометрия которых определена при следующих температурах наружного воздуха tн.р: +5°C — расчётная величина; +10°C и +15°C — промежуточные значения температуры; +19,1°C — средняя температура июля в Нижнем Новгороде.
Результаты расчётов при отсутствии ветра (рис. 1) показывают, что чем выше будет расчётная температура наружного воздуха для проектирования систем вентиляции, тем больше будет производительность вентиляционных каналов. Расход воздуха в существующих системах вентиляции, рассчитанных на tн.р = +5°C, может превышать расчётно-нормативное значение в полтора-два раза.
Рис. 1. Зависимость относительной производительности Lф/Lр систем естественной вентиляции среднего этажа многоквартирного дома с индивидуальными вытяжными каналами от tн.р и tн.ф
Более того, в том случае, если за значение tн.р будет принята температура +19,1°C, производительность вентиляционных каналов при отсутствии их регулирования будет в 3,6–8,2 раза больше расчётного значения.
При учёте ветрового давления отношение Lф/Lр для каждой фактической температуры наружного воздуха будет представлять собой интервал возможных значений, а для всего рассматриваемого интервала tн.ф — область возможных значений (рис. 2).
Рис. 2. Зависимость возможных относительных производительностей Lф/Lр систем естественной вентиляции среднего этажа многоквартирного дома с индивидуальными вытяжными каналами от tн.р и tн.ф с учётом влияния ветрового давления
Чем выше расчётная температура наружного воздуха для проектирования системы естественной вентиляции, тем больше разброс между возможной максимальной и минимальной производительностью вентиляционного канала при одной и той же фактической температуре наружной среды.
Отсутствие средств автоматического регулирования производительности вентиляционных каналов приводит к значительному влиянию на них ветрового давления, а при положительных температурах наружного воздуха и вовсе позволяет системам вентиляции «опрокинуться» (Lф/Lр < 0).
Отклонение фактической производительности системы вентиляции может привести к перегреву/переохлаждению и излишней подвижности внутреннего воздуха в помещениях, что требует установки на каждый вентиляционный канал регулирующего устройства (воздушной заслонки, дроссель клапана, шибера, телескопической диафрагмы и пр.).
В качестве примера построим зависимости среднего значения предварительного угла поворота регулирующих заслонок систем естественной вентиляции, обслуживающих помещения среднего этажа 17-этажного многоквартирного жилого дома, от tн.р и tн.ф.
Требуемый коэффициент местного сопротивления воздушной заслонки ξтр определяется по формуле:
где vвоз — скорость движения воздуха в воздуховоде системы естественной вентиляции, на котором предполагается установка заслонки, vвоз ≈ 1 м/с.
Требуемый угол поворота заслонки a [град.] может быть определён в зависимости от величины ξтр и количества её лопаток по справочным данным [8] либо рассчитан по эмпирической зависимости:
a = 8,6445ln(ξтр) + 23,05. (7)
Абсолютная погрешность расчёта по приведённой формуле не превышает значений: ∆a = ±0,5° — для интервалов углов поворота заслонки a = 0–50° и 63–200° и ∆a = ±2° для a = 51–62°.
Рис. 3. Зависимость среднего значения предварительного угла поворота регулирующих заслонок систем естественной вентиляции МКД от tн.р и tн.ф
Результаты расчёта углов поворота воздушных заслонок по формулам (4)-(7) для рассмотренных режимов работы систем естественной вентиляции приведены на рис. 3 и 4. При отсутствии ветра на всех вентиляционных каналах необходимо создавать дополнительные потери давления путём поворота заслонок в определённое положение. В тоже время при наличии ветра, в зависимости от его направления и скорости, требуемый угол поворота заслонки может значительно отличаться. Чем выше расчётная и фактическая температуры наружного воздуха, тем шире становится возможный интервал углов поворота регулирующих заслонок.
Рис. 4. Зависимость среднего значения необходимого угла поворота регулирующих заслонок систем естественной вентиляции МКД от tн.р и tн.ф с учётом влияния ветрового давления
Системы естественной вентиляции, спроектированные только с учётом температуры наружного воздуха и без поправки на ветровое давление, обеспечивают значительно меньшую точность регулирования. В холодный период года при открытых приточных устройствах это обстоятельство приведёт к недогреву помещений, а в части переходного и в тёплый периоды — к перегреву.
Повышение расчётной температуры наружного воздуха на стадии проектирования естественной вентиляции с +5°C до +19,1°C, с одной стороны, приведёт к увеличению продолжительности эффективной работы систем, с другой — повысит зависимость их фактической производительности от действия набегающего на здание ветрового потока.
Системы естественной вентиляции вновь строящихся и реконструируемых многоквартирных домов необходимо по возможности оборудовать средствами автоматического поддержания постоянного расхода воздуха по показаниям датчиков температуры и скорости наружной среды.
