Изучению воздушного режима в помещениях вновь строящихся и реконструируемых многоквартирных жилых домов посвящено множество современных исследований [1–4], результаты которых являются производными для определения действительного потребления тепловой энергии на нужды систем приточно-вытяжной вентиляции, а также фактических классов энергосбережения зданий.
Авторами этой статьи был проведён анализ влияния условий эксплуатации систем естественной вентиляции жилого дома на их фактические значения воздухообмена и удельной вентиляционной характеристики.
Современные системы естественной вентиляции жилых домов проектируются на соблюдение условия:
где pр — расчётное располагаемое давление, Па; pсист — расчётные потери давления в системе вентиляции с 10 % запасом, Па. Расчётное располагаемое давление:
где h — разница между отметками забора воздуха в помещение и его выброса из вентиляционной шахты на кровле, м; g — ускорение свободного падения, м/с²; ρв — плотность внутреннего воздуха, кг/м³; ρ5 — плотность наружного воздуха с температурой +5 °C, кг/м³.
Потери давления в системе определяются выражением:
где S — характеристика сопротивления вентиляционного канала (с учётом приточного устройства и межкомнатных дверей), Па/(м³/ч)²; Lр — расчётный воздухообмен в помещении, м³/ч. Геометрические размеры вентиляционного канала выбираются таким образом, что расчётный воздухообмен через него будет наблюдаться только при температурах наружного воздуха близких к +5 °C и отсутствии ветрового давления на фасаде и кровле здания.
При иных погодных условиях фактический воздухообмен Lф [м³/ч] вычисляется по формуле:
где pф — фактическое располагаемое давление, равное:
где ρф — фактическая плотность наружного воздуха, кг/м³; cф и cкр — аэродинамические коэффициенты в точке забора воздуха в помещение (на фасаде) и в точке выброса из вентиляционной шахты (на кровле) [6, 7]; kф и kкр — понижающие коэффициенты для фасада и кровли здания, учитывающие плотность городской застройки; vветр — фактическая скорость ветра, полученная по результатам метеорологических наблюдений, м/с.
Зависимости (1)–(5) позволили определить фактический воздухообмен как для отдельных помещений, так и для всего здания в целом.
Результаты расчёта колебаний фактического суммарного воздухообмена девятиэтажного жилого дома в климатических условиях города Нижний Новгород за период с 1 ноября 2005 года по 19 ноября 2015 года [5] представлены на рис. 1.
Для наглядной иллюстрации изменения фактического воздухообмена здания удобно пользоваться относительным воздухообменом, равным:
где Lф.з и Lр.з — фактический и расчётный суммарные воздухообмены всех помещений здания, м³/ч. Рис. 1а иллюстрирует изменение относительного воздухообмена в помещениях многоквартирного жилого дома при непрерывном проветривании помещений с помощью полностью открытых форточек. На рис. 1б приведены значения, относящиеся только к отопительному периоду года, в который фактический воздухообмен составляет преимущественно одноили двукратный от расчётного. В тёплый период фактический воздухообмен значительно меньше и в большинстве случаев составляет 0–0,75Lр.з.
Рис. 1в и 1г содержат изменение относительного воздухообмена рассматриваемого здания при заборе воздуха в помещение через оконные и стеновые приточные клапаны и удаление воздуха через специализированные вытяжные устройства, оборудованные ограничителями максимального расхода воздуха, в круглогодичном цикле и только в отопительный период года, соответственно. Применение данных устройств позволяет поддерживать фактический воздухообмен по величине не выше расчётного значения в помещениях и, как следствие, обеспечить комфортные температуры внутреннего воздуха в отопительный период при правильно спроектированных системах отопления и вентиляции.
Полученные результаты позволили рассчитать среднемесячные значения относительного воздухообмена в рассматриваемом здании (рис. 2). Средние значения воздухообмена в месяцы отопительного периода при использовании клапанов составили 0,8–1,0Lр.з.
В случае непрерывного использования для забора наружного воздуха приточных клапанов и/или форточек фактическая тепловая нагрузка на систему отопления рассматриваемого здания будет либо соответствовать расчётной или превысит её (до 1,45 раза).
В ходе эксплуатации многоквартирных жилых домов фактическая кратность воздухообмена nф [ч–1] значительно отличается от расчётного значения и определяется по формуле:
где nвент.i и nинф.i — кратность воздухообмена при организованной естественной вентиляции и инфильтрации в i-й месяц, ч–1; tвент.i и tинф.i — число часов естественной вентиляции и инфильтрации в i-й месяц, ч. Кратность воздухообмена при инфильтрации nинф.i равна
где Vот — отапливаемый объём, м³; Aок — площадь окон, м²; Gок — нормируемая удельная поперечная воздухопроницаемость окон, кг/(м²·ч); ε — отношение площади пола и окон здания, м²/м²; hэт — высота этажа здания, м; ρi — средняя плотность наружного воздуха в i-м месяце.
Рассматриваемый жилой дом имеет следующие конструктивные решения: hэт = 2,7 м, ε = 5,5.
Кратность воздухообмена при вентиляции nвент.i равна
где Lф.з.i — фактический воздухообмен здания в i-й месяц, м³/ч.
Число часов работы естественной вентиляции tвент.i зависит от большого количества факторов, в первую очередь режима труда и отдыха каждого из жильцов. Не менее восьми часов в день люди спят, от четырёх до 12 часов затрачивают на путь от работы до дома, работу, занятия активным отдыхом и другим. То есть не менее 2/3 часов в течение дня большинство помещений не проветривается.
Определение значений nф является необходимым для расчёта удельной вентиляционной характеристики здания kвент [Вт/(м³·°C)], равной
где c — удельная теплоёмкость воздуха, кДж/(кг·°C); βв — коэффициент учёта внутренних ограждающих конструкций; ρот — средняя плотность наружного воздуха за отопительный период, кг/м³; kэф — коэффициент эффективности рекуперации, при естественной вентиляции kэф = 0.
Учитывая, что практически весь отопительный период расход воздуха, поступающий в помещение при проветривании форточками, будет превышать расчётный в 1,1–1,4 раза, жильцам придётся открывать и закрывать их с определённой периодичностью, что по факту трудно реализуемо. Открытие форточек осуществляется в случаях повышения относительной влажности и температуры внутреннего воздуха при приготовлении пищи, а также в результате выделения теплоизбытков при работы бытовой техники.
Приточные клапаны либо полностью герметизируются жильцами или используются в режиме минимального проветривания по причине создаваемого ими аэродинамического шума, а также некомфортных температур приточной струи в отопительный период в близи мест отдыха, приёма пищи и рабочих пространств. То есть соотношение времени работы естественной вентиляции (проветривания) и инфильтрации tвент/tинф, вероятнее всего, не превышает 1/3.
Для бóльшей наглядности был проведён предварительный расчёт относительных значений фактической средней кратности воздухообмена для рассматриваемого здания по формуле:
где nр — расчётная кратность воздухообмена, ч–1. Относительная кратность воздухообмена nот за отопительный период равна относительной удельной вентиляционной характеристике здания:
где nот — средняя кратность воздухообмена за отопительный период, ч–1; kвент.ф и kвент.р — удельные фактическая и расчётная вентиляционные характеристики, соответственно, определяемые по формуле (10), Вт/(м³·°C).
Результаты расчёта значений n для исследуемого здания при подаче воздуха в его помещения через форточки и приточные клапаны в зависимости от значений nр для отдельного месяца, за отопительный период и в течение всего года приведены в табл. 1 и 2.
Выводы
Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:
1. Фактическая средняя кратность воздухообмена рассматриваемого здания в круглогодичном цикле его эксплуатации будет меньше расчётного значения в два-три раза — система естественной вентиляции не обеспечивает требуемый по санитарным нормам воздухообмен.
2. Реальное значение удельной вентиляционной характеристики здания меньше расчётного на 20–62 %, что ведёт к нерасчётным температурам внутреннего воздуха (перегреву) и как следствие несоблюдению температурного графика тепловых сетей.
3. Снижение потребления тепловой энергии и потенциально более высокий фактический класс энергосбережения здания достигаются несоблюдением требований к воздушно-тепловому режиму в целом.
4. Устройство в здании механической приточно-вытяжной вентиляции с утилизацией теплоты удаляемого воздуха, вероятнее всего, не приведёт к повышению фактического класса энергосбережения здания по причине изначального несоблюдения расчётного воздухообмена.
