AIR EXCHANGE ORGANIZATION IN MODERN ENERGY EFFICIENT BUILDINGS

Abstract

Air exchange design procedure for modern buildings is given in the paper. The design procedure takes into account air permeability of external walling.

Full Text

Традиционно для обеспечения нормативного воздухообмена в жилых и общественных зданиях проектируется вентиляция с естественным побуждением, предусматривающая организованную вытяжку через вытяжные шахты на улицу, и неорганизованный приток за счет инфильтрации и через неплотности в оконных и дверных проемах. Для обеспечения санитарно-гигиенических требований жизнедеятельности людей в помещении необходимо постоянное поступление свежего наружного воздуха. В табл. 1 приведены минимальные нормы воздухообмена по различным нормативным документам. С повышением норм теплозащиты ограждающих конструкций в 1995 г. на смену оконным блокам с двойным остеклением в спаренных или раздельных переплетах пришли оконные блоки с герметичными стеклопакетами в переплётах из ПВХ. Оконные блоки в переплетах из ПВХ с эластичными резиновыми прокладками обладают значительно меньшей воздухопроницаемостью по сравнению с ранее используемыми деревянными окнами. При этом воздухопроницаемость современных оконных конструкций в некоторых случаях сопоставима с воздухопроницаемостью наружных стен. Оценим количество поступающего в помещение воздуха через окна и наружные стены некоторых типовых ограждающих конструкций в процентном соотношении. Сравнение проведем для конструкций, применявшихся до 1995 г. с деревянными окнами, выполненными по ГОСТ 11214-78 марки ОР 15-15, и современных с пластиковыми окнами производства ООО «Свет». Для анализа рассмотрим воздухопроницаемость ограждающей конструкции жилой комнаты площадью 16 м2, расположенной в одноэтажном Таблица 1 Нормы воздухообмена в жилых зданиях по данным различных источников Наименование помещений СНиП 2.08.01-89*«Жилые здания» СТО НП «АВОК» 2.1-2008 СНиП 31-01-2003 «Здания жилые многоквартирные» В нерабочем режиме В режиме обслуживания Жилые комнаты 3 м3/ч на 1м2 пола Кратность 0,35, но не менее30 м3/ч на человека Кратность 0,2 Кратность 0,5-1,0 Кухни От 60 до 90 м3/ч От 60 до 90 м3/ч Кратность 0,5 90 м3/ч Ванные комнаты, туалеты 25 м3/ч От 25 до 50 м3/ч Кратность 0,5 25 м3/ч здании с наветренной стороны. Площадь наружной стены – 7 м2, площадь окна – 2 м2. Разность давлений воздуха на наружной и внутренней поверхностях ограждающей конструкции при скорости ветра υ =1 м/с и температуре наружного воздуха tн=-30 °С составит = 4,43 Па. Количество воздуха G, кг/ч, проходящего через стену, определим по формуле , (1) где F – площадь стены, м2; Rи сопротивление воздухопроницанию многослойной ограждающей конструкции, (м2•ч•Па)/кг. Количество воздуха G, кг/ч, проходящего через окно, определим по формуле , (2) где – коэффициент воздухопроницаемости при турбулентном режиме фильтрации воздуха, кг/(м2•ч•Па); экспериментальное значение воздухопроницаемости при = 10 Па, кг/(м2•ч). По данным, приведенным в [1], воздухопроницаемость деревянного оконного блока в спаренных переплетах с двойным остеклением составит кг/(м2•ч). Коэффициент воздухопроницаемости кг/(м2•ч•Па). Количество фильтрующегося воздуха через окно при =4,43 Па будет равно G=3,1 кг/ч. Оконные блоки, состоящие из двухкамерных стеклопакетов в переплетах из ПВХ производства ООО «Свет», обладают воздухопроницаемостью кг/м2•ч по данным, приведенным в [2]. Коэффициент воздухопроницаемости кг/м2•ч•Па. Количество фильтрующегося воздуха через окно при =4,43Па будет равно G=0,06 кг/ч. Результаты анализа приведены в табл. 2, 3. Проведенный анализ показал, что при применении деревянных оконных блоков в строительстве доля фильтрующегося воздуха через стены составляла всего лишь 2-6 % от общего расхода поступающего воздуха. Данное обстоятельство объясняет отсутствие в нормативной литературе методики учета инфильтрации воздуха через стены и ее влияние на воздухообмен в помещении. Таблица 2 Воздушный баланс для жилой комнаты здания, построенного до 1995 г. Конструкция наружной стены Сопротивление теплопередачеRи, м2•°С/Вт Сопротивление воздухопроницанию R , м2•ч•Па/кг Количество воздуха, проходящего через стену, G, кг/ч Количество воздуха, проходящего через окно, G, кг/ч Доля воздухопроницаемости окон и стенот общего кол-ва поступающего воздуха, % Стена из трехслойных керамзитобетонных панелей толщиной350 мм γ=1200кг/м3 1,02 490 0,06 3,1 Кладка из керамического кирпича толщиной 510 мм на цементнопесчаном растворе с внутренней стороны штукатурка известковопесчаным раствором 20 мм 1,07 160 0,19 3,1 Кладка из силикатного кирпича толщиной 640 мм на цементнопесчаном растворе с внутренней стороны – штукатурка известковопесчаным раствором 20 мм 1,03 160 0,19 3,1 и Воздушный баланс для жилой комнаты здания, построенного после 2000 г. Таблица 3 Конструкция наружной стены Сопротивление теплопередачеRи, м2•°С/Вт Сопротивление воздухопроницанию R , м2•ч•Па/кг Количество воздуха, проходящего через стену,G, кг/ч Количество воздуха, проходящего через окно,G, кг/ч Доля воздухопроницаемости окон и стен от общего колва поступающего воздуха, % Кладка из силикатного кирпича толщиной 510 мм на цементно-песчаном растворе. С наружной стороны утепление вентилируемой фасадной системой ЛАЭС-П, пенополистирол ПСБС-25 толщиной 100 мм 3,37 584,1 0,05 0,06 Кладка из керамического кирпича толщиной 380мм на цементно-песчаном растворе. С наружной стороны утепление вентилируемой фасадной системой ЛАЭС-М, плиты из базальтовой минваты Rockwool толщиной 100 мм 3,14 145 0,21 0,06 Монолитный крупнопористый беспесчаный керамзитобетон толщиной 400 мм, с наружной стороны фактурное покрытие ЛАЭС 3,5 мм. С внутренней – обшивка гипсокартоном толщиной 10 мм 3,6 237 0,13 0,06 Монолитный крупнопористый беспесчаный керамзитобетон толщиной 350 мм, с внутренней стороны кладка из силикатного кирпича толщиной 120 мм, оштукатуривание известково-песчаным раствором толщиной 20 мм. С наружной стороны облицовка керамическим кирпичом толщиной 120 мм 3,24 163 0,19 0,06 и Внедрение в массовое строительство герметичных пластиковых стеклопакетов свело к минимуму поступление свежего наружного воздуха в помещение через окна. Вклад фильтрации воздуха через наружные стены вырос и варьируется от 46 до 77 % в зависимости от применяемой стеновой конструкции. В связи с этим решающая роль в обеспечении свежим наружным воздухом помещений возлагается на наружные стены. При разработке современных ограждающих конструкций с повышенным уровнем теплозащиты необходимо уделять значительное внимание вопросам воздухопроницаемости строительных материалов. В основе теории фильтрации воздуха через толщу ограждающих конструкций положен закон сопротивления при фильтрации жидкости – закон Дарси. В результате систематических опытов по фильтрации в пористых материалах Ланг установил аналогичную зависимость для воздухопроницаемости – закон Ланга. В качестве основной характеристики фильтрационных свойств материала Ланг предложил понятие коэффициента воздухопроницаемости. Р.Е. Бриллингом были определены коэффициенты воздухопроницаемости строительных материалов, применявшиеся в то время. Всесторонними исследованиями различных аспектов воздухопроницаемости и фильтрации также занимались: Ю.А. Калядин, В.Д. Мачинский, Ф.В. Ушков, А.В. Лыков, К.Ф. Фокин, В.Н. Богословский, В.П. Титов, Е.В. Медведева, А.Д. Кривошеин. За рубежом вопросами фильтрации воздуха занимались E. Raisch, W. Voss. Анализ теплопередачи через пористые стенки при наличии фильтрации воздуха, проведенный Ф.В. Ушковым, показал, что расход тепла на проветривание помещений при применении наружных ограждений из пористых материалов можно сократить в 1,5-2 раза. Разработкой воздухопроницаемых ограждений занимались В.С. Беляев, А.Н. Цвяк и др. В.С. Беляевым был разработан алгоритм теплотехнического расчета конструкций, позволяющий создавать различные типы конструкций с многократным движением воздуха. Учетом влияния инфильтрации воздуха через окна зданий на работу вытяжных систем в течение года занимались В.П. Титов, В.Е. Константинова, Е.Х. Китайцева, Е.Г. Малявина. Наиболее полно воздухообмен в зданиях изложен в работах И.Ф. Ливчака [3]. Для анализа естественного воздухообмена в помещении необходимо определение разности давлений с двух сторон ограждения. Найти перепад давления по обе стороны ограждения возможно несколькими способами. В.Х. Фрибе первым сформулировал понятие нейтральной зоны. Профессором П.Н Каменевым был предложен метод избыточных давлений, профессором В.В. Батуриным – метод При принятых допущениях квартиры на каждом этаже являются изолированными. Влияние теплового напора на воздухообмен в зданиях в течение года постоянно, в отличие от действия ветра, скорость и направление которого непрерывно меняется. Эпюры давления при совместном действии теплового, ветрового напора и вытяжной вентиляции приведены на рис. 1. AaBAeHMe pm, 4aI1a, CO34aBaeMOe TeIIAOBIM HaIIOpOM, paBHO: фиктивных давлений. В МИСИ им. В.В. Куйбышева был разработан способ построения эпюр давления Pm  h  (H  e ) , (3) методом введения условного нуля, расположенного r4e h – BICOTa IIOMew;eHMJI, M; H , e IIAOTHOCTh в точке системы с минимальным давлением. Оценим влияние воздухопроницаемости стен на эффективность воздухообмена в помещениях. Расчет будем выполнять при следующих допущениях: двери, выходящие на лестничную клетку, считаем герметично закрытыми; температуру наружного воздуха по высоте принимаем постоянной; COOTBeTCTBeHHO Hapy)KHOrO M BHyTpeHHerO BO34yxa, Kr/M3. Pa3HOCTh 4aBAeHMM Me)K4y IIOMew;eHMeM M HaBeTpeHHOM M 3aBeTpeHHOM Hapy)KHIMM IIOBepxHOCTJIMM COOTBeTCTBeHHO OIIpe4eAMTCJI: pH  PH  Pe , (4) p3  Pe  P3 , (5)   2 воздухопроницаемостью внутренних перегородок пренебрегаем; скорость ветра по высоте принимаем постоr4e pH  cH  2q 4aBAeHMe C HaBeTpeHHOM CTO  2 янной. pOHI 34aHMJI, 4aI1a; p3  c3  2q 4aBAeHMe Рис. 1. Эпюры давления гравитационных и динамических сил C 3aBeTpeHHOM CTOpOHI 34aHMJI, 4aI1a; cH , c3 – a3pO2  S  1 . (12) 4MHaMMqeCKMe KO3cpcpMu;MeHTI, 3aBMCJIw;Me OT cpOpMI  – CKOpOCTh BeTpa, n i1 1  S 0.5  34aHMJI M HaIIpaBAeHMJI BeTpa; M/C; p – IIAOTHOCTh BO34yxa, Kr/M3; pB – Cpe4Hee 4aBAeHMe B KBapTMpe, 4aI1a. KOAMqeCTBO MHcpMAhTpMpyrow;erOCJI BO34yxa  i  B pe3yAhTaTe IIOAyqMM CMCTeMy ypaBHeHMM:  L H  L  Lem  LrHcp , M3/q, IIpM pa6OTarow;eM BITJI)KHOM BeHTMAJIu;MM 4OA)KHO 6ITh paBHO KOAMqeCTBy y4aAJIeMOrO BITJI)KHOrO BO34yxa LBT, M3/q, M KOAMqeCTBy 3KCcpMAhTpMpyrow;erOCJI L , M3/q:  L H  I  FH  ( Pm  pH  Pe ) . (13)  L  I  F3  ( Pm  pe  P3 ) 0TCro4a: 3Kc LrHcp  LBT  L3Kc . (6) e P  I (FH PH  F3 P3  Pm (FH  F3 ))  Lem , (14) I (F3  FH ) KOAMqeCTBO MHcpMAhTpMpyrow;erOCJI M 3KCcpMAhTpMpyrow;erOCJI BO34yxa IIpM COBMeCTHOM 4eMCTBMM TeIIAOBOrO M BeTpOBOrO HaIIOpOB OIIpe4eAJIeTCJI cpOpMyAaMM: r4e Lem  1   (H  h)  H e S  Pe P3 . (15) Lutt¢=I.F.(pm + ptt pe), (7) L3Kc=I.F.(pe + pm – p3). (8) KOAMqeCTBO y4aAJIeMOrO eCTeCTBeHHOM BeHTMAJIu;MeM BO34yxa IIO [4] paBHO: В результате преобразований получим квадратное уравнение относительно рв. Ввиду сложности преобразований значение рв рассчитывается с помощью программы Microsoft Excel. Таким образом, влияние инфильтрирующегося воздуха на эффективность вытяжной вентиляции с 1 LBT=   �PP S , (9) естественным побуждением переменно и зависит от воздухопроницаемости ограждающей конструкции, температуры внутреннего и наружного воздуха, скоr4e �pp – paCIIOAaraeMOe 4aBAeHMe BITJI)KHOM IIIaxрости и направления ветра, высоты вытяжной шахты. Рассмотрим эффективность воздухообмена в TI, 4aI1a: P H h   e  2 c жилом 16-этажном доме, стены которого выполнены из силикатного кирпича (δ1=0,51м, i=0,0139кг/(м•ч•Па) � P  (  )  H  e  3 2g , (10) и оштукатурены известковым раствором (δ1=0,02м, i=0,000106кг/(м•ч•Па)), утепленные фасадной систеr4e H BICOTa 34aHMJI (OT ypOBHJI IIOAa 3Ta)Ka 4O Bepxa BITJI)KHOM IIIaxTI), M; S – xapaKTepMCTMKa COIIpOTMBAeHMJI BO34yxOмой ЛАЭС-П (δ1=0,1м, i=0,00063кг/(м•ч•Па) с фактурным слоем (δ1=0,008м, i=0,00004кг/(м•ч•Па)) [5]. Расчет будем вести для средних климатиче2 2 IIpOHMu;aHMro, I1a•q /Kr . AAJI BITJI)KHOM IIIaxTI C eCTeCTBeHHIM IIO6y)K4eHMeM BO34yxa xapaKTepMCTMKa COIIpOTMBAeHMJI BO34yxOIIpOHMu;aHMro, COrAaCHO [4], OIIpe4eAJIeTCJI cpOpMyAOM ских условий (наружной температуры tн=+5° С, скорости ветра υ=2 м/с). Направление ветра примем юго-восточным, аэродинамические коэффициенты сн=0,7, сз= -0,5. План квартиры представлен на рис. 2. Жилая S=(R h 2 n+Z)/ GP , (11) площадь комнат – 49,06 м2, общая площадь – 86,88 м2, объем помещений – 224 м3. Высота этажа в чистоте r4e (RhIIIn+Z) – IIOTepM 4aBAeHMJI B IIIaxTe 4AMHOM hIII, I1a; GpaCq – paCqeTHIM paCxO4 y4aAJIeMOrO BO34yxa, Kr/q. I1pM HaAMqMM B IIOMew;eHMM HeCKOAhKMx BTJI)KHIx KaHaAOB C xapaKTepMCTMKaMM COIIpOTMBAeHMJI S1, S2,…, Sn 3KBMBaAeHTHOe COIIpOTMBAeHMe paCCqMTIBaeTCJI IIO cpOpMyAe – 2,7 м. Окна комнат пластиковые с двухкамерными стеклопакетами ориентированы на юг и на север. Торцевая стена – глухая с ориентацией на запад. Приток наружного воздуха неорганизованный и осуществляется постоянно через неплотности в ограждающих конструкциях (окна, двери), и периодический – через регулируемые оконные створки. Удаление воздуха осуществляется из верхней зоны кухни и ванной через вентиляционные каналы, расположенные во внутренних стенах. Вытяжка из туалета происходит путем перетекания воздуха из этого помещения в ванную через отверстие в верхней части стены, разделяющей эти помещения. По проекту в квартире имеется вытяжной канал на кухне 270х270, расчетный расход удаляемого воздуха L1=90 м3/ч, υ1=0,34 м/с и вытяжной канал в санузле 140х270 L2=25 м3/ч, υ2=0,18 м/с, что соответствует нормативным документам. В спальной, общей и детской комнатах кратность воздухообмена (приток воздуха) должна быть в нерабочем режиме 0,2 и в режиме обслуживания – 1,0 объёма помещения в час. Исходные данные для расчета кратности воздухообмена в жилом доме Таблица 4 Температура внутреннего воздуха tв, °С 20 Температура наружного воздуха tн, °С 5 Высота этажа h, м 2,7 Площадь стен F, м2 с наветренной стороны 56,9 с заветренной стороны 41,2 Площадь окон F, м2 с наветренной стороны 2,5 с заветренной стороны 7,7 Давление, создаваемое тепловым напором рт, даПа 0,19 Давление, создаваемое ветровым напором рυ, даПа с наветренной стороны 0,18 с заветренной стороны -0,13 Результаты расчета кратности воздухообмена в жилом доме Таблица 5 № этажа Длина вытяжной шахты (H-h),м Хар-ка сопротивления воздухопроницанию шахты в кухнеs1, Пач2/кг2 Хар-ка сопротивления воздухопроницанию шахты в с/у s2, Пач2/кг2 Эквивалентное сопротивление s, Пач2/кг2 Внутреннее давление рв, даПа Перепад давлений на наветренной стороне здания ∆рн, даПа Перепад давлений на заветренной стороне здания ∆рз, даПа Расход инфильтрующегося воздуха Lинф, м3/ч Расход эксфильтрующегося воздухаLэкс, м3/ч Расход удаляемого воздуха Lвт, м3/ч Кратность воздухообмена n, 1/ч через стены через окна через стены через окна 1 42,5 0,00022 0,00271 0,00013 -6,5 6,9 -6,2 4,2 1,2 2,8 3,3 11,5 0,05 2 39,8 0,00019 0,00252 0,00012 -5,9 6,3 -5,6 3,9 1,1 2,5 3,0 10,6 0,05 3 37,1 0,00017 0,00234 0,00011 -5,6 5,9 -5,2 3,7 1,0 2,4 2,8 9,9 0,04 4 34,4 0,00016 0,00218 0,00009 -5,2 5,5 -4,9 3,4 1,0 2,2 2,6 9,2 0,04 5 31,7 0,00015 0,00202 0,00009 -4,8 5,2 -4,5 3,2 0,9 2,0 2,4 8,5 0,04 6 29 0,00014 0,00185 0,00008 -4,4 4,8 -4,1 3,0 0,8 1,8 2,2 7,9 0,04 7 26,3 0,00013 0,00169 0,00008 -4,0 4,4 -3,7 2,7 0,8 1,7 2,0 7,2 0,03 8 23,6 0,00012 0,00153 0,00007 -3,7 4,0 -3,3 2,5 0,7 1,5 1,8 6,5 0,03 9 20,9 0,00011 0,00137 0,00006 -3,3 3,7 -3,0 2,3 0,6 1,3 1,6 5,8 0,03 10 18,2 0,00010 0,00121 0,00006 -2,9 3,3 -2,6 2,0 0,6 1,2 1,4 5,2 0,02 11 15,5 0,00009 0,00105 0,00005 -2,5 2,9 -2,2 1,8 0,5 1,0 1,2 4,5 0,02 12 12,8 0,00008 0,00089 0,00004 -2,2 2,5 -1,8 1,6 0,4 0,8 1,0 3,8 0,02 13 10,1 0,000066 0,000710 0,000039 -1,8 2,1 -1,5 1,3 0,4 0,7 0,8 3,1 0,01 14 7,4 0,000056 0,000548 0,000032 -1,4 1,8 -1,1 1,1 0,3 0,5 0,6 2,5 0,01 15 4,7 0,000046 0,000387 0,000026 -1,0 1,4 -0,7 0,9 0,2 0,3 0,4 1,8 0,01 16 2 0,000036 0,000225 0,000019 -0,6 1,0 -0,3 0,6 0,2 0,1 0,2 1,1 0,00 Рис. 2. План квартиры При площади пола в комнатах 49,06 м2 и объеме 132,5 м3 воздухообмен должен быть: в нерабочем режиме – 27 м3/ч; в режиме обслуживания – 133 м3/ч. Сопротивление воздухопроницанию ограждающей конструкции , (м2•ч•Па)/кг, составит: . Исходные данные для расчета кратности воздухообмена в жилых помещениях 16-этажного жилого дома приведены в табл. 4, результаты расчета – в табл. 5. Проделанный расчет показал, что закладываемый на этапе проектирования расход удаляемого воздуха в реальных условиях при отсутствии организованного притока обеспечиться не может. Располагаемого напора вытяжной вентиляции с естественным побуждением для обеспечения инфильтрации воздуха в помещение недостаточно. В связи с отсутствием должного притока воздуха нередко происходит опрокидывание тяги, когда один из вытяжных каналов начинает работать на приток, что приводит к выхолаживанию помещений, нарушению метеорологических параметров. Особенно опасно это явление в помещениях с газоиспользующим оборудованием. Опрокидывание тяги в дымовых каналах приводит к гашению пламени в горелках. Несгоревший газ, поступая в помещение, вызывает отравление со смертельным исходом, может привести к взрыву. Для исключения опрокидывания тяги на этапе проектирования при расчете вытяжной вентиляции с естественным побуждением необходимо производить балансировку между всеми вытяжными каналами каждой изолированной квартиры. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК Савин, В.К. Строительная физика: энергоперенос, энергоэффективность, энергосбережение [Текст] / В.К. Савин. – М.: Лазур, 2005. 432 с. Вытчиков, Ю.С. Техническое заключение по теме: «Исследование воздухопроницаемости строительных ограждающих конструкций и проведение тепловизионного обследования административного здания со встроенной стоянкой легкового автотранспорта расположенного по адресу: Самарский район, г. Самара, ул. Водников 24-26» [Текст] / Ю.С. Вытчиков, И.Г. Беляков, Г.А. Бакрунов, А.С. Прилепский; ЦЭС СГАСУ. – Самара, 2008. – 64 с. Ливчак, И.Ф. Вентиляция многоэтажных жилых зданий [Текст] / И.Ф. Лифчак, А.Л. Наумов. – М.: АВОК-ПРЕСС, 2005.–136 с. Богословский, В.Н. Отопление и вентиляция: учебник для вузов: в 2 ч. Ч. 2. Вентиляция [Текст] / В.Н. Богословский, В.И. Новожилов, Б.Д. Симаков, В.П. Титов. М.: Стройиздат, 1976. – 439 с. Вытчиков, Ю.С. Исследование эффективности работы вентиляции в многоэтажном жилом здании [Текст] / Ю.С. Вытчиков, А.В. Сидорова // Проблемы энергосбережения и экологии в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах: XI Международная научно-практическая конференция. – Пенза: ПГУАС, 2010. © Вытчиков Ю.С., Сидорова А.В., 2013