Целью исследования является анализ распределения воздуха в системах вентиляции высотных жилых зданий с естественным притоком и механической вытяжкой. Для анализа влияния гравитационного давления на работу систем вентиляции в настоящем исследовании были приняты следующие допущения:
- ветровое давление отсутствует;
- во всем объёме высотного жилого здания поддерживается температура воздуха, равная +20°C;
- температура наружного воздуха по высоте принята постоянной, хотя известно из метеорологических данных, что изменение температуры по высоте составляет 1°C на 100 м высоты;
- межкомнатные двери считаются открытыми, так как на практике это распространённое явление;
- воздухопроницаемость окон, входных дверей в квартиры и наружных входных дверей принята согласно [1], значения приведены в табл. 1.
Влияние эффекта тяги на воздушный режим здания
Естественное движение воздуха внутри здания зависит от факторов, среди которых особое место занимает перепад давления, вызванный разницей температур внутри и снаружи здания:
где z1 и z2 — геодезические отметки высот, м; gн и gв — удельные веса наружного и внутреннего воздуха, Н/м³.
Значительное гравитационное давление создаёт ряд проблем, которые вызывают трудности при эксплуатации высотных зданий. К ним относятся:
1. Большие перепады давления на дверях. В холодный период года из-за большой величины гравитационного давления на поверхностях дверей могут возникать давления, превышающие 150 Па [2], что создаёт необходимость учитывать эффект тяги при проектировании высотных зданий.
2. Сквозняки и шум. Высокая скорость воздушных потоков, проходящих через узкие зазоры, дверные щели, решётки системы вентиляции, может стать причиной свиста, который вызывает дискомфорт у пребывающих в здании людей.
3. Интенсивная инфильтрация. Из-за неучтённых повышенных расходов наружного воздуха могут возникнуть эксплуатационные издержки, выраженные в большем потреблении как тепловой, так и электрической энергии.
4. Пожарная безопасность. При пожаре высокая подвижность воздуха может способствовать распространению огня и дыма вдоль основных путей эвакуации и может затруднить оперативный вывод людей из здания.
Мероприятия по минимизации негативных последствий эффекта тяги:
- применение конструкций, обеспечивающих более высокий уровень герметичности здания;
- установка револьверных дверей на входе в здание (такие двери позволяют собирать на них до 300 Па без проблем с их эксплуатацией);
- устройство тамбуров (способствует перераспределению перепадов давления на ограждающие конструкции);
- вертикальное зонирование лифтовых шахт и лестничных клеток (эффективная мера, однако её реализация приведёт к существенному усложнению структуры внутреннего пространства здания и к потере полезных площадей).
Исходные данные
Для исследования принято здание высотой 163 м, вертикально разделённое на три зоны по 17 этажей (рис. 1). Высота этажа 3 м. Вертикальные зоны разделены техническими этажами, где располагается инженерное оборудование. Высота зоны принята равной 51 м, что соответствует 17 этажам. На типовом этаже каждой зоны располагаются четыре квартиры.
Системы механической вытяжной вентиляции
Расчёт воздухообмена произведён при условии соблюдения баланса между количеством приточного и удаляемого воздуха с учётом норм минимального воздухообмена [3, 4, 5]. Подача наружного воздуха в квартиры предусмотрена с помощью приточных устройств, которые монтируются в конструкцию окон и позволяют осуществлять аэрацию помещения без необходимости открытия окон. Удаление воздуха из верхней зоны помещения осуществляется через канал-спутник, в который встроено вытяжное устройство. Его регулирование выполняется путём изменения площади живого сечения.
В здании применена механическая вытяжная система вентиляции, в которой воздух движется по общему вертикальному сборному каналу. В сборный канал воздух попадает из квартир через каналы-спутники. На технических этажах вытяжные сборные каналы объединяются в шахты, которые ведут на кровлю (рис. 2). В оголовке каждой шахты установлен крышный вентилятор, который начинает работать при снижении суммарного расхода воздуха по шахте на 10% от расчётного значения.
Монтажное регулирование систем вытяжной вентиляции произведено при температуре наружного воздуха +5°C за счёт повышения сопротивления вытяжных устройств. Регулирование приточных устройств привело бы к появлению недопустимых скоростей в них и, как следствие, неприятного свиста в жилой зоне квартир.
Исходные данные для моделирования
Всего рассмотрено три воздушных режима здания, которые отличаются по температуре наружного воздуха (табл. 1).
Режим 1. Расчётный период. Позволяет оценить возможности системы вентиляции при расчётной для систем естественной вентиляции температуре наружного воздуха, равной +5°C. Вытяжные вентиляторы третьей зоны включены.
Режим 2. Холодный период. Максимальная величина гравитационного давления будет при наиболее низких температурах наружного воздуха, и именно этот температурный режим будет критичным с точки зрения неравномерности воздухообмена и перепадов давления на дверях здания. Температура наружного воздуха в холодный период принята равной −25°C. Вытяжные вентиляторы всех зон выключены.
Режим 3. Тёплый период. В тёплое время года температура наружного воздуха мало отличается от температуры воздуха внутри здания, следовательно, влияние гравитационного давления фактически отсутствует. Однако в этот период года представляет интерес распределение расходов воздуха по этажам вследствие работы вытяжных вентиляторов.
Методика расчёта
Для расчёта воздушных режимов использовался модуль программного комплекса Integrated Environmental Solutions Virtual Environment (IES VE), необходимый для анализа инфильтрации и естественной вентиляции в зданиях. Он использует зональную модель воздушного потока для расчёта объёмного движения воздуха в здании. В IES VE воздухопроницаемые элементы можно задать способами, описанными ниже [6]. Воздухопроницаемый элемент, пропускающий воздух через щели, трещины (в модели это окна и двери).
Расход воздуха в таком случае можно определить по формуле:
где C — коэффициент воздухопроницаемости, м³/(с·м·Па0,6); L — длина щели, трещины, чаще всего принимается периметр воздухопроницаемого элемента, м; ρ — плотность наружного воздуха, кг/м³; ρref — плотность внутреннего воздуха, кг/м³; ΔP — перепад давлений на воздухопроницаемом элементе, Па.
Воздухопроницаемый элемент, который рассматривается как отверстие в таких ограждающих конструкциях, как стены и перекрытия (в модели — это приточные и вытяжные устройства).
Расход воздуха в этом случае можно определить по следующей формуле:
где S — эквивалентная площадь воздухопроницаемого элемента, м²/м²; Аор — площадь воздухопроницаемого элемента, м².
Анализ результатов моделирования
Режим 1. Результаты расчёта данного режима показали, что достигнут достаточно равномерный (± 20%) воздухообмен по этажам. Исключением являются верхние этажи третьей зоны, для которых величина воздухообмена на 20–40% меньше расчётного. Величина суммарного расхода воздуха через вытяжные шахты представлена в табл. 2.
Режим 2. Получено, что для холодного периода года (-25°C) обеспечение требуемого воздухообмена по этажам высотного здания затруднительно. Особо остро проблема повышенных расходов воздуха стоит для квартир первых двух зон с максимальной величиной гравитационного давления (125–340 Па). Если норма притока воздуха на квартиру 110 м³/ч, то в холодный период величина притока составит 230 м³/ч. Таким образом, монтажная настройка вытяжных устройств для расчётной температуры +5°C не способна обеспечить требуемый воздухообмен для квартир всего здания (табл. 3).
Режим 3. Третий режим характеризуется равенством температур наружного и внутреннего воздуха. Этот режим отличается относительной равномерностью в распределении расходов воздуха по этажам здания (± 1%).
Однако на верхних этажах третьей зоны наблюдается избыточный воздухообмен (17%), а на нижних — недостаточный (7%). Объясняется это соотношением сопротивлений вытяжных устройств, полученным при монтажном регулировании (табл. 4).
По результатам расчётов были построены эпюры распределения перепадов давления на входных квартирных дверях (слева на рис. 3).
Для расчётного режима максимальное значение перепада давления на входных дверях квартир не превышает 30 Па на нижних этажах и 50 Па — на верхних. В холодный период максимальные перепады давления на входных дверях квартир принимают значения, равные 75 Па на нижних этажах и 130 Па — на верхних. Очевидно, что в холодный период даже взрослому человеку придётся приложить большие усилия, чтобы открыть дверь.
На рис. 3 (справа) цветом обозначен перепад давления: оранжевым — на приточных устройствах, синим — на вытяжных. Величина суммарного перепада давления на приточных и вытяжных устройствах равномерно убывает с каждым этажом. Стоит отметить, что наибольший перепад давлений, равный 250 Па, присутствует на вытяжных устройствах.
Такие перепады давления могут привести к появлению шума и свиста, но вне жилой зоны квартир.
Выводы
С помощью математического моделирования были выявлены проблемы воздухообмена в высотном жилом здании, а именно:
- наличие недостаточного воздухообмена на последних этажах третьей зоны (ниже расчётного на 20–40%) при температуре наружного воздуха +5°C;
- в холодный период года наблюдается избыточный воздухообмен для первых двух зон здания (230–330 м³/ч);
- в холодный период года на последних этажах третьей зоны расходы приточного воздуха ниже нормы на 40–60 м³/ч;
- формирование больших перепадов давления на входных дверях в квартиры (75–130 Па), из-за которых возникают трудности с эксплуатацией дверей;
- большие перепады давления (50–250 Па) на вытяжных устройствах станут причиной появления шума и свиста в квартирах нижних этажей здания.
Таким образом, основные проблемы воздухообмена в высотном жилом здании возникают в холодный период года. Данный режим требует дальнейшего исследования и разработки дополнительных компенсационных мер.
