Plumbing. Heating. Conditioning. Energy Efficiency.

Качество воздуха в зданиях с естественной вентиляцией

(0) (1383)
Опубликовано в журнале СОК №1 | 2016
Rubric:
Air conditioning, ventilation
Автор:
Тэги:

При проектировании зданий с естественной вентиляцией в крупных городах необходим комплексный прогноз, направленный на обеспечение в зданиях экологически безопасной среды обитания при минимальном потреблении энергоресурсов. Экологически безопасная среда обитания предполагает поступление в помещения чистого воздуха, равномерное распределение параметров микроклимата, акустический и световой комфорт.

Статья подготовлена на основе материалов сборника докладов VI Международной научно-технической конференции «Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции» НИУ МГСУ.

Эффективность естественной вентиляции и качество внутреннего воздуха для зданий с естественной вентиляцией зависит от аэродинамического режима застройки и уровня загрязнения наружного воздуха, например, выбросами автотранспорта. При проектировании зданий необходимо рассматривать внутреннюю среду здания и окружающую его атмосферу как единую динамическую систему. При решении таких задач эффективен метод вычислительной гидродинамики CFD (Computational fluid dynamics). В статье приведены результаты комплексного исследования качества внутреннего воздуха в жилом здании с естественной вентиляцией методом CFD.

В последнее время в РФ, как и в большинстве европейских стран, предъявляются более жёсткие требования к энергопотреблению зданий. Начиная с 2016 года энергопотребление многоквартирных зданий, например, для города Москвы должно составлять 130 кВт-ч/ (м2-год), в том числе на отопление и вентиляцию — 65 кВт-ч/м2. Это потребует, в свою очередь, снижения трансмиссионных и инфильтрационных теплопотерь и повышения качества проектных разработок для формирования экологически безопасной среды при снижении энергопотребления, особенно в зданиях с естественной вентиляцией.

Для снижения трансмиссионных теплопотерь регламентируется повышение сопротивления теплопередаче, например, для стен до значений Rc = 3,54-4,0 м2·°С/Вт. Однако из опыта ИЦ СПбГАСУ следует, что расчётные значения сопротивления теплопередаче наружных ограждающих конструкций, к сожалению, не подтверждаются как при проведении натурных испытаний при сдаче объектов в эксплуатацию, так и при испытаниях фрагментов конструкций в климатической камере. Это объясняется неоднородностью современных конструкций, особенно лёгких, где имеет место резкое отличие в значениях теплопроводности элементов каркаса и утеплителей. Для получения корректных результатов при расчёте теплопотерь здания коэффициент однородности, который характеризует температурное поле в конструкции, целесообразно определять экспериментально или по расчёту температурных полей на ЭВМ.

Качество воздуха в зданиях с естественной вентиляцией . 1/2016. Фото 1

Из опыта ИЦ СПбГАСУ следует, что расчётные значения сопротивления теплопередаче наружных ограждающих конструкций, к сожалению, не подтверждаются как при проведении натурных испытаний при сдаче объектов в эксплуатацию, так и при испытаниях фрагментов конструкций в климатической камере

Оценить инфильтрационные теплопотери на стадии проектирования, особенно в зданиях с естественной вентиляцией, значительно сложнее, чем трансмиссионные. Применение светопрозрачных конструкций с двумя энергосберегающими стёклами снижает не только трансмиссионные теплопотери, но и инфильтрационные. Например, по результатам испытаний воздухопроницаемость оконных блоков из ПВХ-профиля разных систем при 10 Па не превышает 3-4 кг/(м2-ч). Это, однако, недостаточно для соблюдения нормативных требований по кратности воздухообмена. Выбор приточных устройств должен проводиться с учётом их аэродинамических коэффициентов при проектировании здания.

Если приточные устройства, оконные или стеновые клапаны не предусматриваются при проектировании и не учитываются в расчёте естественной вентиляции, то значительно повышается неопределённость при расчёте кратности воздухообмена [1]. К сожалению, для известных типов приточных устройств, особенно оконных клапанов, в сертификатах не приводятся данные по аэродинамическим коэффициентам.

Качество воздуха в жилых помещениях зависит от содержания вредных веществ в наружном воздухе, что редко учитывается при расчёте естественной вентиляции. Одним из основных источников загрязнения в городах является транспорт. Его доля в загрязнении приземного слоя воздуха достигает 70-90 %. Вредные вещества, такие как CO, NO, NO2, углеводороды, альдегиды и другие рассеиваются в пределах застройки и поступают внутрь жилых помещений с приточным воздухом. В зонах ветровой тени, которые локализуются вблизи зданий, в уличных каньонах, концентрации вредных веществ от выбросов автотранспорта часто превышают допустимые значения. Поэтому при оценке качества воздуха в жилых помещениях необходимо учитывать не только концентрации вредных веществ, выделяющихся в процессе жизнедеятельности людей, но и вредные вещества, поступающие в здания из окружающей атмосферы [2-4].

На стадии проектирования энергоэффективных зданий внутренняя среда зданий и окружающая их атмосфера должны рассматриваться как единая динамическая система (ЕДС) с обобщённым подходом в описании процессов тепломассопереноса [5]. Недостаточно при разработке проекта ориентироваться только на нормативные показатели, предъявляемые к строительным конструкциям, параметрам микроклимата и инженерным системам. Необходимо иметь гарантию, что при эксплуатации зданий, в течение всего жизненного цикла, будет обеспечена их энергетическая и экономическая эффективность, а также экологическая безопасность в целом.

Качество воздуха в зданиях с естественной вентиляцией . 1/2016. Фото 2

Разнообразие процессов, которые влияют на качество внутреннего воздуха, не позволяет использовать единую математическую модель. Для количественного анализа реализуется итерационный метод, основанный на применении разных математических моделей

Следует отметить, что для проектирования энергоэффективных зданий необходимо повысить требования к качеству проектных разработок, ориентируясь на внедрение новых комплексных технологий, включающих апробированные расчётные методики, компьютерное моделирование и экспериментальные исследования. Для выбора эффективных проектных вариантов для обеспечения комфортной среды в проектируемых зданиях в СПбГАСУ используется комплексный подход, который включает:

  • проведение лабораторных испытаний по определению теплофизических характеристик ограждающих конструкций (приведённого сопротивления теплопередаче фрагментов наружных стен, воздухопроницаемости, светопропускания и звукоизоляции оконных блоков, производительности и аэродинамических коэффициентов приточных клапанов);
  • компьютерное моделирование аэродинамического режима застройки, рассеивания выбросов автотранспорта и других источников в пределах застройки, процессов тепломассообмена в ограждающих конструкциях и микроклимата проектируемых зданий с целью оценки качества воздуха в жилых помещениях и создания комфортных условий.

Разнообразие процессов, которые влияют на качество внутреннего воздуха, не позволяет использовать единую математическую модель. Для количественного анализа реализуется итерационный метод, основанный на применении разных математических моделей, который предполагает использование результатов расчёта первого этапа в качестве исходных данных для второго этапа. Например, поля давления и скорости воздуха, концентрации вредных веществ у фасадов зданий, полученные при расчёте «внешней задачи», учитываются как исходные данные для расчёта кратности воздухообмена, распределения параметров микроклимата и концентраций вредных веществ в помещениях.

Внутренняя среда здания рассматривается как главная подсистема, где должны быть обеспечены нормативные параметры. Окружающая здание атмосфера-зона, в пределах которой характеристики потока оказывают влияние на процессы тепломассопереноса через оболочку здания и качество воздушной среды в помещениях. Особенности процессов тепломассообмена в единой динамической системе (ЕДС) учитываются как динамические связи. Для расчёта полей скорости, давления и уровня загрязнения воздуха у фасадов здания используется программа SPC [6-7]. Для решения «внутренней задачи» задачи — программа Star-CD.

Реализация комплексного подхода показана на приведённых ниже примерах. В первом случае прогнозировалась наиболее неблагоприятная ситуация, которая может привести к загрязнению воздуха жилого здания, в зоне ветровой тени которого располагается автомагистраль.

Качество воздуха в зданиях с естественной вентиляцией . 1/2016. Фото 3

Оценка качества внутреннего воздуха, распределения параметров микроклимата и количества вредностей, поступающих с приточным воздухом, проводилась на примере двух однокомнатных квартир, расположенных на первом этаже проектируемого здания (д X ш X в: 160 X 12 X 27 м). Здание моделировалось как сплошной объект. Квартира «А» расположена на наветренном фасаде, квартира «В» — на заветренном фасаде.

В зону ветровой тени здания попадает магистраль. Прогноз загрязнения воздуха вблизи здания выполнен для наиболее неблагоприятных условий, направление ветра перпендикулярно продольной оси здания. Движение автотранспорта моделировалось как линейный источник (рис. 1).

На первой стадии расчётов определялись поля давления и скорости ветра у фасадов здания. Полученные результаты при расчёте «внешней задачи» использовались для сравнения качества воздуха в квартирах «А» и «В». При расчётах моделировались динамические связи ЕДС, то есть ветровое давление, температура наружного воздуха. Теплотехнические характеристики ограждающих конструкций приняты согласно нормативным требованиям: сопротивление теплопередаче наружной стены Rс = 3,1 м2·°С/Вт, оконного блока Ro = 0,51 м2·°С/Вт [8].

Моделирование проводилось для зимнего периода года. Температура наружного воздуха -26 °C, температура внутреннего воздуха — 20 °C. Отопительный прибор, конвектор, моделировался в виде прямоугольного блока, на верхней грани которого задавался расчётный тепловой поток для компенсации трансмиссионных теплопотерь и нагрева приточного воздуха. Количество удаляемого из квартиры воздуха 110 м3/ч: 50 м3/ч из санитарного блока и 60 м3/ч из кухни. Приток воздуха осуществлялся через оконный блок с фурнитурой системы ActivPilot, которая даёт возможность параллельного смещения оконной створки, создавая при этом по периметру регулируемую щель разного размера. В табл. 1 приведено количество воздуха, проходящее через оконный блок при щелевом проветривании (щель 6 мм по периметру) при изменении давления, по результатам испытаний в ИЦ СПбГАСУ

В вытяжных отверстиях задавалась скорость воздуха, обеспечивающая нормативную вытяжку. По периметру приточной щели задавалась безразмерная концентрация вредных веществ, полученная на первом этапе расчёта. Безразмерные концентрации используются для удобств пересчёта на отдельные ингредиенты. По периметру входной двери моделировалась щель, имитирующая неплотности. Решалась нестационарная трёхмерная задача.

По результатам расчёта аэродинамического режима для неблагоприятного направления ветра получены значения динамического давления у фасадов в местах расположения квартир «А» и «В», которые соответственно равны 16 Па и -5 Па. Определена граница зоны ветровой тени — 112 м.

Качество воздуха в зданиях с естественной вентиляцией . 1/2016. Фото 4

По результатам расчёта рассеивания вредных веществ от линейного источника (магистраль) получены поля концентраций вблизи здания и максимальные значения концентраций у фасадов. Максимальные безразмерные концентрации соответственно равны у наветренного фасада (квартира «А») — 0,02, у заветренного фасада (квартира «В») — 0,48. Концентрации в зоне ветровой тени в 24 раза выше, чем у наветренного фасада.

Определён минимальный коэффициент разбавления вредностей Dmin от автомобильного транспорта для зоны ветровой тени при неблагоприятном направлении ветра как:

Dmin = Cmax, где Cmax — максимальная концентрация у заветренного фасада здания, мг/м2; М — массовый выброс вредных веществ, зависящий от интенсивности движения автотранспорта, мг/с [9].

Величина Dmin по результатам расчёта составила 50 м3/с. Зная минимальный коэффициент разбавления Dmin, можно прогнозировать максимальное количество вредностей, которое может поступать в здание с приточным воздухом.

В качестве второго примера, когда неучтённые при проектировании особенности расположения здания и источника загрязнения сказываются на качестве воздуха при эксплуатации, можно привести ситуацию с многоквартирным зданием, расположенном в городе Санкт-Петербурге, улица Нижне-Каменская

Объём приточного воздуха, поступающего в квартиру «В» по результатам расчёта в три раза меньше, чем в квартиру «А» (135 м3/ч), расположенную на наветренном фасаде. Кратность воздухообмена в квартире «В» при рассмотренном направлении ветра может оказаться ниже нормативных требований. Однако с приточным воздухом в квартиру «В» будет поступать в восемь раз больше вредных веществ.

Качество воздуха в зданиях с естественной вентиляцией . 1/2016. Фото 5

Распределение параметров микроклимата (поля температуры и скорости воздуха) в квартирах «А» и «В» различны. В квартире «А» подвижность воздуха в полтора раза выше. Застойные зоны локализованы в коридоре перед кухней в обеих квартирах. Поле температуры на высоте 0,5 м однородно, деформации поля в пределах 2 °C имеют место на расстоянии до 2 м от наружной стены также для обеих квартир (рис. 1б). Средняя температура в кухне квартиры «А», где нет притока воздуха, на 2 °C выше, чем в комнате. В качестве второго примера, когда неучтённые при проектировании особенности расположения здания и источника загрязнения сказываются на качестве воздуха при эксплуатации, можно привести ситуацию с многоквартирным зданием, расположенном в городе Санкт-Петербурге, ул. Нижне-Каменская. При северо-западном направлении ветра здание оказывается в зоне влияния ПТО-3 «Новоселки». Оценка загрязнения воздуха компонентами биогаза вблизи фасадов здания и в жилых квартирах на первом этаже, окна которых расположены на наветренном фасаде, проводилась как с использованием ЭВМ, так и при проведении натурных замеров. Учёт влияния застройки на распределение загрязнений проводился с использованием программы SPC позволил определить концентрации у фасадов здания. Для проверки сложившейся ситуации были выполнены также проверочные расчёты по программе «Эколог».

Анализ результатов эксперимента показал, что, несмотря на то, что здание находится на расстоянии от полигона ПТО-3 «Новоселки», превышающем размер СЗЗ, при северо-западном направлении ветра в зоне его расположения наблюдается превышение среднесуточной ПДК для населённых мест и закрытых помещений по компонентам биогаза: аммиак и бензол.

Вредные компоненты биогаза, аммиак и бензол, поступали в помещения через оконные блоки только за счёт инфильтрации. Пробы воздуха отбирались в центре комнат на высоте 1,5 м в двух однокомнатных квартирах. Средние значения концентраций в жилых помещениях (в долях среднесуточной ПДК для населённых мест) составили: для аммиака — 32, для бензола — 12,5.

Читайте по теме:
Comments
  • В этой теме еще нет комментариев
Add a comment

Your name *

Your e-mail *

Your message