Рис. 1. Результаты сертификационных испытаний оконного блока класса Б
Рис. 2. Зависимость воздухопропускания клапана «Аэровент» от давления
Табл. 1. Количество воздуха, проходящее через клапаны при 10 Па
Приводятся результаты экспериментальной оценки воздухопроницаемости светопрозрачных конструкций и оконных клапанов, полученные при сертификационных испытаниях. Даны рекомендации по применению оконных клапанов для обеспечения нормативных воздухообменов жилых зданий. С использованием математического моделирования проанализирована работа вентиляционных клапанов на примере жилой комнаты.
Вопросы эффективности естественной вентиляции особенно актуальны для жилых многоквартирных зданий [1–5]. Известно, что при эксплуатации зданий сложно обеспечить нормативную кратность воздухообмена, поэтому ряд авторов предлагает проектировать для жилых зданий механическую вентиляцию, однако это существенно усложняет эксплуатацию зданий.
Анализ неэффективной работы систем естественной вентиляции жилых зданий позволил выявить следующие причины: установка и замена светопрозрачных конструкций с повышенной степенью герметичности; установка локальных приточных и вытяжных устройств (оконных и стеновых клапанов разного типа, осевых вентиляторов), что связано с изменением местных сопротивлений; влияние аэродинамического режима застройки, который не учитывается при расчете систем естественной вентиляции на стадии проектирования.
Установка современных светопрозрачных конструкций с энергосберегающими стеклами позволяет сократить не только трансмиссионные теплопотери за счет увеличения сопротивления теплопередаче, но и инфильтрационные, вследствие незначительной воздухопроницаемости оконных блоков. Сокращение теплопотерь за счет герметизации светопрозрачных конструкций без дополнительных мероприятий имеет не только положительный эффект, но и ряд негативных последствий, таких как снижение кратности воздухообмена, нарушение нормативных требований к качеству воздуха в жилых помещениях, появление плесени и грибковых поражений наружных конструкций, развитие аллергических заболеваний, особенно среди детей.
Известно несколько смертельных случаев при эксплуатации газовых колонок в старых зданиях, где были установлены оконные блоки и снижена кратность воздухообмена естественной вентиляции. Аэродинамический режим застройки имеет свои особенности, связанные с формированием зон ветровой тени в застройке. Строительство более высоких зданий в сложившейся инфраструктуре приводит к перераспределению динамического давления в местах расположения вентиляционных шахт.
Известны случаи, когда происходит «опрокидывание» естественной вентиляции, если давление в местах расположения вентиляционных шахт оказывается выше расчетных значений, что особенно характерно при уплотнительной застройке. Практика показывает, что обеспечить нормативную кратность естественной вентиляции в жилых зданиях, где установлены современные светопрозрачные конструкции, без установки приточных устройств достаточно сложно, особенно на последних этажах.
Даже в случае наличия стеновых клапанов типа КИВ, как показали результаты обследования ряда зданий, на последних этажах приточные устройства работают на вытяжку. Согласно [6], в типовых зданиях воздухообмен определяется объемом вытяжки, и должен быть не менее однократной величины. При отсутствии приточных устройств в квартирах с оконными блоками, приток воздуха в помещение в зимний период осуществляется в основном за счет воздухопроницаемости ограждающих конструкций и кратковременного проветривания.
Анализ нормативных требований [7] по воздухопроницаемости ограждающих конструкций показал, что через наружные стены поступает менее 0,5 кг/(м2⋅ч) воздуха, через оконные блоки — не более 5 кг/(м2⋅ч), через двери — не более 1,5 кг/(м2⋅ч), что недостаточно для обеспечения требуемого воздухообмена. Кроме того, воздух, поступающий в квартиры с лестничной клетки, нередко имеет неприятные запахи.
Нормативные значения воздухопроницаемости светопрозрачных конструкций в 10 раз выше, чем для наружных стен. Следовательно, есть основания считать, что основная часть «чистого» приточного воздуха поступает в квартиры через «неплотности» оконных блоков. Для выбора рациональных проектных решений в области вентиляции необходимо иметь возможность проанализировать ситуацию в целом, выявить пространственную взаимосвязь динамических процессов, происходящих внутри помещений и в окружающей здания атмосфере.
Нужно оценить влияние отдельных факторов на эффективность вентиляции, выбрать конструкцию и место расположение приточных устройств, что позволит сформировать в помещении комфортные условия. Количественная оценка влияния перечисленных выше факторов может быть получена как в результате физического эксперимента, так и при использовании математического моделирования на базе общеизвестных программных средств, таких как ANSYS, STAR-CCM+ или специально разработанных программ.
Ниже приведены результаты испытаний оконных блоков и приточных клапанов, полученные в ИЦ СПбГАСУ, а также результаты математического моделирования, направленные на повышение эффективности естественной вентиляции. На рис. 1 приведены результаты сертификационных испытаний оконного блока класса Б, которые характерны для типовых зданий. Из графика видно, что воздухопроницаемость при давлении 10 Па составляет Go = 2 кг/(м2⋅ч), а сопротивление воздухопроницанию R10 = 5 (Па⋅м2⋅ч)/кг.
Воздухопроницаемость оконных блоков более высокого класса А еще меньше — Go = 0,85 кг/(м2⋅ч), сопротивление воздухопроницанию R10 = 11,8 (Па⋅м2⋅ч)/кг. При давлении 50 Па, которое используется для расчета кратности воздухообмена при проведении натурных испытаний, в помещение будет поступать не более 6 кг/(м2⋅ч). Кратность воздухообмена типовой однокомнатной квартиры, имеющей два оконных блока площадью 2,4 м2, составит 0,38 ч–1.
Следовательно, для обеспечения требуемой кратности воздухообмена необходима установка приточных устройств, оконных или стеновых клапанов. В настоящее время уже известно большое разнообразие приточных устройств, которые прошли сертификационные испытания и применяются в строительной практике.
Оконные или стеновые клапаны должны удовлетворять следующим требованиям: количество поступающего воздуха должно обеспечивать требуемый воздухообмен; звукоизоляция конструкции с клапаном должна обеспечивать допустимые значения уровня звукового давления в жилых помещениях, особенно в ночное время; температура на поверхностях клапана должна быть выше точки росы, чтобы избежать образования конденсата; распределение холодного воздуха в помещении при открытом приточном устройстве должно обеспечивать достаточную степень перемешивания, исключая резкое изменение градиента температуры.
Перечисленные выше требования для приточных устройств должны быть подтверждены сертификационными испытаниями. Так как установка приточного клапана в оконный блок снижает его теплозащитные и звукоизоляционные свойства, то испытания должны проводиться для оконного блока с установленным клапаном. Кроме того, множественные испытания в климатической камере необходимо проводить в динамическом режиме, обеспечивая «протяжку» холодного воздуха через клапан. Оконные клапаны, которые удовлетворяют перечисленным выше требованиям, недешевы. Более простые и дешевые конструкции (клапаны типа SFD фирмы Titon или польские клапаны Ventair), к большому сожалению, не отвечают требованиям по звукоизоляции.
В табл. 1, например, приведены результаты сертификационных испытаний воздухопропускания оконных клапанов разного типа при 10 Па. Оригинальную и в тоже время простую конструкцию имеет клапан «Аэровент» бельгийской фирмы Renson, под корпусом которого имеется несколько свободно подвешенных пластин. Их назначение — защита от резкого изменения давления.
Результаты исследования воздухопропускания клапана «Аэровент» при разных давлениях приведены на рис. 2. При нормативном давлении 10 Па расход приточного воздуха через клапан равен 30 м3/ч. При повышении давления до 35 Па происходит «прижим» свободно подвешенных пластин, сечение клапана уменьшается, а сопротивление возрастает. Такой эффект приводит к тому, что в диапазоне 35–70 Па количество воздуха, поступающее через клапан, остается постоянным и равным 60 м3/ч.
При снижении давления пластины возвращаются в свободное положение только при давлении 40 Па, постоянный расход приточного воздуха, равный 44 м3/ч, поддерживается в диапазоне 40–20 Па. Анализ кривых, приведенных на графике (рис. 2), позволил выявить область нестабильной работы клапана, которая обозначена на рис. 2 как Н. Вследствие «работы» пластин в этой области имеет место изменение расхода приточного воздуха при колебании давления.
Несмотря на то, что клапан удовлетворяет требованиям по кратности воздухообмена, его звукоизоляционные свойства вследствие отсутствия шумопоглощающих элементов невысоки (звукоизоляция транспортного шума оконного блока СПД 4М1-16-4М1-12-4М1 с клапаном «Аэровент» в открытом состоянии составляет 26 дБ(А), и рекомендовать такие конструкции для остекления фасадов, ориентированных на улицы с интенсивным транспортным потоком, не целесообразно.
Отметим, что при применении простых конструкций клапанов без термовкладышей важным моментом также является выпадение конденсата в местах крепления к раме или импосту, что необходимо выявить при сертификационных испытаниях. При решении конкретных задач для определения кратности воздухообмена, а также выбора мест установки приточных устройств и оценки качества их работы, удобно использовать математическое моделирование [8–9].
В качестве примера ниже приведены результаты моделирования процесса вентиляции комнаты объемом 44 м3 с одним оконным блоком площадью 2,25 м2. Поступление приточного воздуха в помещение осуществлялось через два приточных клапана типа V50/C50 Titon, расположенных в верхней части оконного блока. Объем приточного воздуха — 44 м3/ч. Воздух из комнаты удалялся через щель площадью 0,01 м2 под закрытой дверью, расположенной в стене напротив окна.
Температура наружного воздуха принималась –26 °C. Сопротивления теплопередаче наружной стены и оконного блока соответствовали всем требованиям норм [7], составиляя: Rс = 3,1 (м2⋅°C)/Вт и Rок = 0,51 (м2⋅°С)/Вт. Коэффициенты теплообмена: для наружной поверхности αн = 23 Вт/(м2⋅°С), а для внутренней — αв = 8,7 Вт/(м2⋅°С). Теплообмен с внутренними помещениями не учитывался. В помещении установлен отопительный прибор типа Profil-Kompakt с тепловым потоком 1099 Вт.
Начальная температура воздуха в комнате 20 °C, скорость приточной струи — 2,13 м/с. При решении задачи использовался пакет STAR-CCM+. Системы уравнений аэродинамики и теплопереноса решались в нестационарной постановке с шагом по времени Δt, который варьировался от 0,1 до одной секунды. В процессе расчета формировалось температурное поле в конструкциях и определялись средние по объему температуры воздуха в помещении.
Температура и скорости воздуха контролировались в четырех точках. Несмотря на то, что наблюдалась неоднородность полей температуры, особенно вблизи наружной стены, средняя по объему температура воздуха в помещении через пять часов реального времени составила 21,7 °C. Колебание температуры в контрольных точках не превышало 2 °C.
Результаты показали, что при открытии оконных клапанов в течение пяти часов средняя по объему температура внутреннего воздуха в комнате не изменяется, если мощность нагревательного прибора компенсирует трансмиссионные и инфильтрационные потери. Если нормативная кратность воздухообмена не обеспечивается, например, периодическое проветривание в зимний период, температура воздуха в помещении при постоянной теплоотдаче прибора будет увеличиваться.
При отсутствии регулирования теплового потока нагревательного прибора имеет место неэффективное использование ТЭР. Поддержание постоянной средней температуры по объему, однако, не гарантирует отсутствие зон резких градиентов температуры и повышенной подвижности воздуха. Для этой цели анализировались поля температуры в наружной стене с оконным блоком и в объеме комнаты, а также поля скорости воздуха. В качестве примера на рис. 3 приведены результаты расчета полей температуры.
Расчет температурного поля фрагмента наружной стены с оконным блоком позволяет определить локальное значение температуры в месте примыкания клапана к раме, которая должна быть выше «точки росы». Пример расчета температурного поля при установке клапана с термовкладышем типа V50/ C50 показан на рис. 3а. По результатам расчета температура рамы в месте установки клапана — 11,5 °C, что выше «точки росы» при влажности внутреннего воздуха 45 %, и конденсат не выпадает.
Вблизи наружной поверхности (как показано на рис. 3б) струя холодного воздуха от клапана при горизонтальном направлении снижает температуру в нижней зоне до 14 °С, несмотря на наличие сильной конвективной струи конвектора. Создать комфортные условия в этой зоне можно, изменив направление приточной струи. Результаты расчетов показали, что температура в рассмотренной зоне повышается до 18 °C, если приточную струю повернуть на угол 20° к потолку.
В заключение можно отметить, что для повышения эффективности вентиляции жилых зданий могут быть использованы индивидуальные приточно-вытяжные установки с рекуператором тепла, например, установки типа V-Stat, Lossnay и др. Применение таких устройств позволит обеспечить нормативную кратность воздухообмена при минимальных энергозатратах.
