Содержание

Влияние эффекта тяги на воздухообмен в высотном жилом здании

Данная статья посвящена исследованию воздухообмена высотного жилого здания с естественным притоком и механической вытяжкой под влиянием гравитационного давления в различные периоды года. Рассмотрены основные проблемы, возникающие вследствие значительных перепадов давления на ограждающих конструкциях. В работе был проведён анализ распределения расходов воздуха в системах вентиляции и перепадов давления на элементах систем высотного жилого здания с естественным притоком и механической вытяжкой.

Ключевые слова: вентиляция, гибридная вентиляция, стак-эффект, эффект тяги, воздухообмен, механическая вытяжка, естественный приток, математическое моделирование, высотные здания.

UDC 697.952.2. The number of scientific speciality: 05.23.03.

The influence of stack effect on air exchange in a high-rise residential building

M. V. Samoletov, executive offi cer of «MM-Technologies», LTD; V. I. Vorobyev, graduate student, St. Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering (SPbGASU)

This article is devoted to the study of air exchange of high-rise residential building with natural inflow and mechanical extraction under the influence of gravitational pressure in different periods of the year. The main problems arising as a result of significant pressure differences on the enclosing structures are considered. The analysis of the distribution of air flow in ventilation systems and pressure differences on the elements of high-rise residential building systems with natural inflow and mechanical extraction was carried out.

Keywords: ventilation, hybrid ventilation, stack effect, air exchange, mechanical extraction, natural inflow, mathematical modeling, high-rise buildings.

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 +2 0 °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:

Влияние эффекта тяги на воздухообмен в высотном жилом здании. 10/2019. Фото 1

где z₁ и z₂ — геодезические отметки высот, м; g_н и g_в — 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).

Вам будет интересно Приточный клапан на пластиковые окна

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.

Влияние эффекта тяги на воздухообмен в высотном жилом здании. 10/2019. Фото 2

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 1 0 % от расчётного значения.

Влияние эффекта тяги на воздухообмен в высотном жилом здании. 10/2019. Фото 3

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).

Влияние эффекта тяги на воздухообмен в высотном жилом здании. 10/2019. Фото 4

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 −2 5 °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:

Влияние эффекта тяги на воздухообмен в высотном жилом здании. 10/2019. Фото 5

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; ρ_ref — 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:

Влияние эффекта тяги на воздухообмен в высотном жилом здании. 10/2019. Фото 6

где S — эквивалентная площадь воздухопроницаемого элемента, м²/м²; А_ор — площадь воздухопроницаемого элемента, м².

Анализ результатов моделирования

Режим 1. Результаты расчёта данного режима показали, что достигнут достаточно равномерный (± 2 0 %) воздухообмен по этажам. Исключением являются верхние этажи третьей зоны, для которых величина воздухообмена на 20–4 0 % меньше расчётного. Величина суммарного расхода воздуха через вытяжные шахты представлена в табл. 2.

Влияние эффекта тяги на воздухообмен в высотном жилом здании. 10/2019. Фото 7

Режим 2. Получено, что для холодного периода года (-2 5 °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).

Влияние эффекта тяги на воздухообмен в высотном жилом здании. 10/2019. Фото 8

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 (1 7 %), а на нижних — недостаточный ( 7 %). Объясняется это соотношением сопротивлений вытяжных устройств, полученным при монтажном регулировании (табл. 4).

Вам будет интересно Клапан вентиляционный стеновой приточный

Влияние эффекта тяги на воздухообмен в высотном жилом здании. 10/2019. Фото 9

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.

Влияние эффекта тяги на воздухообмен в высотном жилом здании. 10/2019. Фото 10

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 20–4 0 %) 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.

Вентиляционные каналы в многоквартирном доме

Если в квартире появились посторонние запахи, плесень, или грибок, это может свидетельствовать о плохой вентиляции помещения. Чтобы исправить эти проблемы, или избежать их, для начала нужно разобраться: как размещены и как работают вентиляционные каналы в многоквартирном доме.

Если вы живёте в панельном доме, который строился при Хрущёве, значит, вентиляционное отверстие кухни выходит сразу в вентиляционную шахту. А санузел и кухня соединяются с этой шахтой при помощи короба из металла. Случаются ситуации, при которых короб установлен, но в шахту его не врезали. В этих случаях внешне кажется, будто бы вентиляция в квартире имеется, но, оказывается, что она не рабочая.

Прочистка вентиляции

Чтобы знать наверняка, находится ли вентиляция вашей квартиры в рабочем состоянии, можно провести простую проверку. Зажгите свечу, и прислоните её к вентиляционной решётке. Если вентиляция находится в рабочем состоянии, огонь будет притягиваться к решётке. Чтобы узнать достаточно ли хорошо она работает, существует другой способ. Нужно поднести к этой же решетке кусок туалетной бумаги, прислонить к ней, и потом отпустить. Если вентиляция работает хорошо, туалетная бумага не упадёт, а останется на своём месте. Для улучшения циркуляции воздуха под дверями ванной комнаты и санузла нужно оставлять хотя бы небольшой зазор.

При массовых застройках используют систему естественной вентиляции. Массы воздуха меняются в этой системе благодаря естественной тяге, в которой воздух в помещение проникает через форточки и другие щели. Выходит воздух через вентиляционные отверстия по каналам в шахту, из которой выводится на улицу через крышу. В доме с небольшим количеством этажей из каждого помещения квартиры выходят каналы, которые объединяются в общем коллекторе на чердаке. Дома с большим количеством этажей имеют другую систему вентиляции.

Как проходят вентиляционные каналы в многоэтажном доме?

Теперь разберем устройство вентиляционных каналов в многоквартирном домевыше 5 этажей. В таких домах каналы вентиляции от разных этажей соединяются с шахтой. Каналы, которые присоединяются, называются спутниками. Спутники соединяются с шахтой через каждые несколько этажей. Вытяжные спутники от последних этажей нельзя присоединять к шахте, лучше в этом случае сделать для них отдельное отведение. Если вентиляционная шахта забивается в промежутке между этажами, это ощущают все жители, живущие ниже, спутники, от квартир которых соединяются с той же шахтой.

Различают два вида вентиляции зависимо от схемы, которая организовывает воздухообмен помещения:

Та, которая перемешивает воздух;
И которая вытесняет воздух.

Вентиляционные каналы

Первая используется для домов из бетона или кирпича, которые непроницаемы для воздуха. Она не сможет полностью очистить воздух, потому что в любом помещении есть зоны, в которых воздух почти не двигается, а стоит на месте. Для полного очищения воздуха в помещении система вентиляции должна быть организована грамотно.

Раньше широко применялась вентиляция с использованием приточно-вытяжной системы. Для этой системы использовалась выше описанная тяга, при которой воздух поступает через всевозможные щели в здании. Источником воздуха в системе были открытые форточки, щели в оконных рамах. Это обеспечивало доступность и небольшую стоимость устройства. Эта вентиляция не нуждалась в обслуживании. Сейчас при строительстве используют герметичные окна, и зимой никто не станет открывать надолго форточки, чтобы насытить квартиру свежим воздухом. Если вы даже решились открыть форточку зимой, это не сможет обеспечить нужное количество воздуха, а лишь принесет неудобства.

Вам будет интересно Проекты вентиляции и кондиционирования

Для решения этой проблемы используют приточные клапаны. С их помощью контролируется циркуляция воздуха, кроме того их использование снижает неудобства, такие как уличный шум.

Используя активную вытяжку с высокой производительностью, вы перекрываете потоком воздуха доступ к шахте людям, которые живут на этажах ниже. Пользователи пассивной вытяжки должны помнить о смене фильтра, которую нужно проводить пару раз в год.

Жители нижних этажей могут порадоваться тому, что в их жилье вентиляция намного лучше, чем у жителей выше. Поэтому для того, чтобы у жильцов верхних этажей не появлялись проблемы с очисткой воздуха, ещё при разработке плана дома разрабатывают систему принудительной вентиляции. Чаще всего эта система имеет вид воздуховода, снабжённого встроенным вентилятором, который выбирают по его производительности. Её для каждого помещения рассчитывают отдельно.

Где проходят вентиляционные каналы

Вентиляционные каналы – один из элементов естественной вентиляции. Они считаются не просто её элементом, а основной её составляющей. Проходят вентиляционные каналы в стенах квартир. При постройке дома они встраиваются в стены.

Вентиляция в стене

Если в помещении повышенное количество влаги, она создает благоприятные условия для развития и размножения плесени и грибка на стенах. Они, в свою очередь, очень пагубно влияют на здоровье жильцов. Это можно предотвратить. Для того, чтобы влага не накапливалась в помещении, каналы не проводят в наружных стенах здания.

Как быть, если во внутренних стенах невозможно проложить канал? В таких случаях их сооружают такими, чтобы можно было подвесить или подшить. Как правильно установить эти каналы? Разница в высоте между уровнем канала, который забирает воздух из комнаты, и уровнем канала, который выводит этот воздух через крышу, должна быть больше трёх метров.

Вентиляционные каналы состоят не только из продольных частей. В их состав входят и горизонтальные участки. Эти участки должны иметь длину меньше чем три метра. Такое же мнение всегда высказывают специалисты, которые сооружают системы вентиляции.

Из какого материала лучше всего делать каналы для вентиляции

В последнее время стали распространенными каналы из металла. Тем не менее, кирпичные вентиляционные каналы считаются классикой вентиляции и, несмотря на конкуренцию, пользуются большим спросом. Как уже известно, их проводят во внутренних стенах дома. В поперечном сечении они имеют размеры примерно полкирпича в ширину и в глубину. Классический вариант предусматривает, что ход будет квадратный, стена которого равна двум кирпичам.

Какие этапы нужно пройти при кладке канала из кирпича:

Предварительная разметка с использованием специального шаблона.
Кладка первых рядов. Выкладываются первые два-три ряда, после чего по отвесу ставят буйки. Это кирпичи, которые выкладывают поперек канала. Это нужно для того, чтобы канал был квадратной формы, и для защиты канала от загрязнений во время постройки. Кроме того, буйки делают канал прочнее, но становятся помехой во время чистки канала.
Спустя пять-шесть рядов буйки нужно переставить.

Перевязка швов для кладки каналов используется однорядная или многорядная. Для его постройки используется техника укладки впритык. Это нужно для препятствия попаданию продуктов, образующихся при горении, в помещение или соседние каналы.

Проверка и прочистка вентиляции

Время от времени нужно проверять вентиляционные каналы на наличие засорений. Это проводится в таких случаях:

Ежегодная плановая проверка
Первичная проверка вентиляционных каналов перед началом использования. Во время её проведения проверяются: наличие засорений, плотность канала и его отдалённость от дымового канала, тяга.
После ремонта каналов

В домашней пыли содержатся бактерии, клещи, их продукты жизнедеятельности. Когда человек дышит воздухом с большим содержанием пыли, у него развивается аллергия. Кроме того пыль опасна для людей, болеющих астмой. Когда пыль накапливается в лёгких, она приводит к хроническим болезням лёгких и иммунной системы. С накоплением пыли в вентиляции накапливаются и эти организмы, вредящие здоровью человека. Так там находят себе убежище мелкие грызуны и птицы.

Когда каналы засоряются, их тяга становится слабее, фильтры загрязняются, сечение каналов становится меньше, на стенках собирается жир и пыль, перестают работать установки приточно-вытяжной системы. Прочистка вентиляционных каналов в производственных зданиях должна проводиться не реже двух раз в год, так же как и в административных, и в общественных зданиях. Очищать вентиляцию в зданиях пожарных служб нужно не менее раза в год. После очистки каналы дезинфицируют, и оформляют специальный журнал, в который заносят данные о проведенных действиях.