Воздушный режим жилых зданий. Воздушный и радиационный режим помещения Общая схема теплообмена в помещении

Тепловой режим здания

Общая схема теплообмена в помещении

Тепловая обстановка в помещении определяется совместным действием ряда факторов: температуры, подвижности и влажности воздуха помещения, наличием струйных течений, распределением параметров воздуха в плане и по высоте помещения, а также радиационным излучением окружающих поверхностей, зависящим от их температуры, геометрии и радиационных свойств.

Для изучения формирования микроклимата, его динамики и способов воздействия на него нужно знать законы теплообмена в помещении.

Виды теплообмена в помещении: конвективный - возникает между воздухом и поверхностями ограждений и приборов системы отопления – охлаждения, лучистый - между отдельными поверхностями. В результате турбулентного перемешивания неизотермических струй воздуха с воздухом основного объема помещения происходит «струйный» теплообмен. Внутренние поверхности наружных ограждений в основном теплопроводностью через толщину конструкций передают теплоту наружному воздуху.

Тепловой баланс любой поверхности i в помещении может быть представлен на основе закона сохранения энергии уравнением:

где Лучистая Лi, конвективная Кi, Тi кондуктивная, составляющие теплообмена на поверхности.

Влага воздуха помещения

При расчете влагопередачи через ограждения необходимо знать влажностное состояние воздуха в помещении, определяемое выделением влаги и воздухообменом. Источниками влаги в жилых помещениях являются бытовые процессы (приготовление пищи, мытье полов и пр.), в общественных зданиях - находящиеся в них люди, в промышленных зданиях - технологические процессы.

Количество влаги в воздухе определяется eгo влагосодержание d, г влаги на 1 кг сухой части влажного воздуха. Кроме тoгo, eгo влажностное состояние характеризуется упругостью или парциальным давлением водяных паров е, Па, или относительной влажностью водяных паров φ, %,

Е- максимальная упругость при данной температуре.

Воздух обладает определенной влагоудерживающей способностью.

Чем суше воздух, тем с большей силой удерживается в нём водяной пар. Упругость водяного пара е отражает свободную энергию влаги в воздухе и возрастает от 0 (сухой воздух) до максимальной упругости Е , соответствующей полному насыщению воздуха.

Диффузия влаги происходит в воздухе от мест с большей упругостью водяных паров к местам с меньшей упругостью.

η возд = ∆d /∆е.

Упругость полного насыщения воздуха Е, Па, зависит от температуры t нас и с ее возрастанием увеличивается. Величина Е определяется:

Если необходимо знать температуру t нас, которой соответствует то или иное значение Е, можно определить:

Воздушный режим здания

Воздушным режимом здания называют совокупность факторов и явлений, определяющих общий процесс обмена воздуха между всеми eгo помещениями и наружным воздухом, включающий перемещение воздуха внутри помещений, движение воздуха через ограждения, проемы, каналы и воздуховоды и обтекание здания потоком воздуха.

Воздухообмен в здании происходит под действием естественных сил и работы искусственных побудителей движения воздуха. Наружный воздух поступает в помещения через неплотности ограждений или по каналам приточных вентиляционных систем. Внутри здания воздух может перетекать между помещениями через двери и неплотности во внутренних конструкциях. Внутренний воздух удаляется из помещений за пределы здания через неплотности наружных ограждений и по вентиляционным каналам вытяжных систем.

Естественными силами, вызывающими движение воздуха в здании, являются гравитационное и ветровое давления.

Расчётная разность давлений:

1-ая часть-гравитационное давление, 2-ая-часть ветровое давление.

где Н-высота здания от поверхности земли до верха карниза.

Max из средних скоростей по румбам за январь.

С н,С п -аэродинамические коэффициенты с подветренной и наветренной поверхностей ограждения здания.

К i -коэф. учёта изменения скоростного давления ветра.

Температура и плотность воздуха внутри и снаружи здания обычно неодинаковы, в результате чего гравитационное давление по сторонам ограждений оказывается разным. За счет действия ветра на наветренной стороне здания создается подпор, а на поверхностях ограждений возникает избыточное статическое давление. На заветренной стороне образуется разрежение и статическое давление оказывается пониженным. Таким образом, при ветре давление с внешней стороны здания отличается от давления внутри помещений. Воздушный режим связан с тепловым режимом здания. Инфильтрация наружного воздуха приводит к дополнительным затратам теплоты на его подогрев. Эксфильтрация влажного внутреннего воздуха увлажняет и снижает теплозащитные свойства ограждений. Положение и размеры зоны инфильтрации и эксфильтрации в здании зависят от геометрии, конструктивных особенностей, режима вентилирования здания, а также от района строительства, времени года и параметров климата.

Между фильтрующимся воздухом и ограждением происходит теплообмен, интенсивность которого зависит от места фильтрации в конструкции (массив, стык панелей, окна, воздушные прослойки). Так, возникает необходимость в расчетах воздушного режима здания: определении интенсивности инфильтрации и эксфильтрации воздуха и решении задачи теплопередачи отдельных частей ограждения при наличии воздухопроницания.

Инфильтрация-проникновение воздуха в помещение.

Эксфильтрация-уход воздуха из помещения.

Предмет строительной теплофизики

Строительная теплофизика – наука, изучающая проблемы теплового, воздушного и влажностного состояний внутренней среды и ограждающих конструкций зданий любого назначения и занимающаяся вопросами создания микроклимата в помещениях, применяя системы кондиционирования (отопления –охлаждения и вентиляции) с учетом влияния наружного климата через ограждения.

Для понимания формирования микроклимата и определения возможных способов воздействия на него необходимо знать законы лучистого, конвективного и струйного теплообмена в помещении, уравнения общего теплообмена поверхностей помещения и уравнение теплообмена воздуха. На основе закономерностей теплообмена человека с окружающей средой формируются условия теплового комфорта в помещении.

Основное сопротивление потере теплоты из помещения оказывают теплозащитные свойства материалов ограждения, поэтому закономерности процесса теплопередачи через ограждения являются важнейшими при расчете системы отопления помещений. Влажностный режим ограждения является одним из основных при расчете теплопередачи, поскольку переувлажнение приводит к заметному снижению теплозащитных свойств и долговечности конструкции.

С тепловым режимом здания тесно связан и воздушный режим ограждений, поскольку инфильтрация наружного воздуха требует затрат теплоты на его подогрев, а эксфильтрация влажного внутреннего воздуха увлажняет материал ограждений.

Изучение выше рассмотренных вопросов позволят решать задачи создания микроклимата в зданиях в условиях эффективного и экономного расходования топливно-энергетических ресурсов.

Тепловой режим здания

Тепловым режимом здания называется совокупность всех факторов и процессов, определяющих тепловую обстановку в его помещениях.

Совокупность всех инженерных средств и устройств, обеспечивающих заданные условия микроклимата в помещениях здания, называют системой кондиционирования микроклимата (СКМ).

Под действием разности наружной и внутренней температур, солнечной радиации и ветра помещение теряет теплоту через ограждения зимой и нагревается летом. Гравитационные силы, действие ветра и вентиляция создают перепады давлений, приводящие к перетеканию воздуха между сообщающимися помещениями и к его фильтрации через поры материала и неплотности ограждений.

Атмосферные осадки, влаговыделения в помещениях, разность влажности внутреннего и наружного воздуха приводят к влагообмену в помещении, через ограждения, под влиянием которого возможно увлажнение материалов и ухудшение защитных свойств и долговечности наружных стен и покрытий.

Процессы, формирующие тепловую обстановку помещения, необходимо рассматривать в неразрывной связи между собой, так как их взаимное влияние может оказаться весьма существенным.

Описание:

Тенденции современного строительства жилых зданий, такие как повышение этажности, уплотнение окон, увеличение площади квартир, ставят перед проектировщиками: архитекторами и специалистами в области отопления и вентиляции трудные задачи по обеспечению требуемого микроклимата в помещениях. Воздушный режим современных зданий, определяющий процесс обмена воздухом помещений друг с другом, помещений с наружным воздухом, формируется под воздействием многих факторов.

Воздушный режим жилых зданий

Учет влияния воздушного режима на работу системы вентиляции жилых зданий

Технологическая схема мини-станции для подготовки питьевой воды малой производительности

На каждом этаже секции находятся две двухкомнатные квартиры и по одной однокомнатной и трехкомнатной. Однокомнатная и одна двухкомнатная квартиры имеют одностороннюю ориентацию. Окна второй двухкомнатной и трехкомнатной квартир выходят на две противоположные стороны. Общая площадь однокомнатной квартиры 37,8 м 2 , односторонней двухкомнатной – 51 м 2 , двухсторонней двухкомнатной – 60 м 2 , трехкомнатной – 75,8 м 2 . Здание оснащено плотными окнами с сопротивлением воздухопроницанию 1 м 2 ч/кг при разности давлений D P о = 10 Па. Для обеспечения притока воздуха в стенах комнат и на кухне однокомнатной квартиры установлены приточные клапаны фирмы «АЭРЭКО». На рис. 3 показаны аэродинамические характеристики клапана при полностью открытом положении и в прикрытом на 1/3 состоянии.

Входные двери в квартиры также приняты довольно плотными: с сопротивлением воздухопроницанию 0,7 м 2 ч/кг при разности давлений D P о = 10 Па.

Жилой дом обслуживается системами естественной вентиляции с двухсторонним присоединением спутников к стволу и нерегулируемыми вытяжными решетками. Во всех квартирах (вне зависимости от их величины) установлены одинаковые системы вентиляции, т. к. в рассматриваемом здании даже в трехкомнатных квартирах воздухообмен определяется не нормой притока (3 м 3 /ч на м 2 жилой площади), а нормой вытяжки из кухни, ванной комнаты и туалета (в сумме 110 м 3 /ч).

Расчеты воздушного режима здания были выполнены с учетом следующих параметров:

Температура наружного воздуха 5 °C – расчетная температура для системы вентиляции;

3,1 °C – средняя температура отопительного периода в Москве;

10,2 °C – средняя температура самого холодного месяца в Москве;

28 °C – расчетная температура для системы отопления при ветре со скоростью 0 м/с;

3,8 м/с – средняя скорость ветра за отопительный период;

4,9 м/с – расчетная скорость ветра для выбора плотности окон различных направлений.

Давление наружного воздуха

Давление в наружном воздухе складывается из гравитационного (первое слагаемое формулы (1)) и ветрового (второе слагаемое).

Ветровое давление больше на высокие здания, что в расчете учитывается коэффициентом k дин, который зависит от открытости местности (открытое пространство, низкая или высока застройка) и высоты самого здания. Для домов до 12 этажей принято считать k дин постоянным по высоте, а для более высоких сооружений увеличением значения k дин по высоте здания учитывают повышение скорости ветра по мере удаления от земли.

На значение ветрового давления наветренного фасада оказывают влияние аэродинамические коэффициенты не только наветренного, но и подветренного фасадов. Такое положение объясняется тем, что за условный ноль давления, Р усл, принято абсолютное давление у подветренной стороны здания на уровне наиболее удаленного от поверхности земли воздухопроницаемого элемента, через который возможно движение воздуха (устье вытяжной шахты на подветренном фасаде):

Р усл = Р атм - r н g Н + r н v 2 с з k дин /2, (2)

где с з – аэродинамический коэффициент, соответствующий подветренной стороне здания;

Н – высота над землей верхнего элемента, через который возможно движение воздуха, м.

Полное избыточное давление, формирующееся в наружном воздухе в точке на высоте h здания, определяется разностью полного давления в наружном воздухе в этой точке и полного условного давления Р усл:

Р н = (Р атм - r н g h + r н v 2 с з k дин /2) - (Р атм - r н g Н +

R н v 2 с з k дин /2) = r н g (Н - h ) + r н v 2 (с - с з) k дин /2, (3)

где с – аэродинамический коэффициент на расчетном фасаде, принимаемый по .

Гравитационная часть давления увеличивается с возрастанием разности температур внутреннего и наружного воздуха, от которых зависят плотности воздуха. Для жилых зданий при практически постоянной температуре внутреннего воздуха в течение всего отопительного периода гравитационное давление растет с понижением температуры наружного воздуха. Зависимость гравитационного давления в наружном воздухе от плотности внутреннего воздуха объясняется традицией относить внутреннее гравитационное избыточное (над атмосферным) давление к наружному давлению со знаком минус. Этим как бы выносится за пределы здания переменная гравитационная составляющая полного давления во внутреннем воздухе, и поэтому полное давление в каждом помещении становится постоянным на любой высоте этого помещения. В связи с этим Р int в названо условно постоянным давлением воздуха в здании. Тогда полное давление в наружном воздухе становится равным

Р ext = (H - h ) (r ext - r int) g + r ext v 2 (c - c з) k дин / 2. (4)

На рис. 4 показано изменение давления по высоте здания на разных фасадах при различных погодных условиях. Для простоты изложения будем называть один фасад дома северным (верхний по плану), а другой южным (нижний на плане).

Внутреннее давление воздуха

Различные давления наружного воздуха по высоте здания и на разных фасадах вызовут движение воздуха, и в каждом помещении с номером i сформируются свои полные избыточные давления Р в,i . После того как переменная часть этих давлений – гравитационная – отнесена к наружному давлению, моделью любого помещения может служить точка, характеризуемая полным избыточным давлением Р в,i , в которую поступает и из которой уходит воздух.

Для краткости в дальнейшем полное избыточное наружное и внутреннее давление будем называть соответственно наружным и внутренним давлениями.

При полной постановке задачи о воздушном режиме здания основу математической модели составляют уравнения материального баланса воздуха для всех помещений, а также узлов в системах вентиляции и уравнения сохранения энергии (уравнение Бернулли) для каждого воздухопроницаемого элемента. Балансы воздуха учитывают расходы воздуха через каждый воздухопроницаемый элемент в помещении или узле системы вентиляции. Уравнение Бернулли приравнивает разность давлений по разные стороны воздухопроницаемого элемента D P i,j к аэродинамическим потерям, возникающим при прохождении потока воздуха через воздухопроницаемый элемент Z i,j .

Следовательно, модель воздушного режима многоэтажного здания может быть представлена как совокупность связанных друг с другом точек, характеризуемых внутренним Р в,i и наружным Р н,j давлениями, между которыми происходит движение воздуха.

Потери полного давления Z i,j при движении воздуха обычно выражают через характеристику сопротивления воздухопроницаемости S i,j элемента между точками i и j. Все воздухопроницаемые элементы оболочки здания – окна, двери, открытые проемы – можно условно отнести к элементам с постоянными гидравлическими параметрами. Значения S i,j для этой группы сопротивлений не зависят от расходов G i,j . Отличительной чертой тракта системы вентиляции является переменность характеристик сопротивления фасонных частей, зависящих от искомых расходов воздуха по отдельным частям системы. Поэтому характеристики сопротивления элементов вентиляционного тракта приходится определять в итерационном процессе, в котором необходимо увязать располагаемые давления в сети с аэродинамическим сопротивлением тракта при определенных расходах воздуха.

При этом плотности воздуха, перемещаемого по вентиляционной сети, в ответвлениях принимаются по температурам внутреннего воздуха в соответствующих помещениях, а по магистральным участкам ствола – по температуре смеси воздуха в узле.

Таким образом, решение задачи воздушного режима здания сводится к решению системы уравнений воздушных балансов, где в каждом случае сумма берется по всем воздухопроницаемым элементам помещения. Число уравнений равно числу помещений в здании и количеству узлов в системах вентиляции. Неизвестными в этой системе уравнений являются давления в каждом помещении и каждом узле систем вентиляции Р в,i . Так как разности давлений и расходы воздуха через воздухопроницаемые элементы связаны между собой, решение находится с помощью итерационного процесса, в котором расходы сначала задаются, а по мере уточнения давлений корректируются. Решение системы уравнений дает искомое распределение давлений и потоков по зданию в целом и в силу своей большой размерности и нелинейности возможно только численными методами с применением ЭВМ.

Воздухопроницаемые элементы здания (окна, двери) связывают все помещения здания и наружный воздух в единую систему. Расположение этих элементов и их характеристики сопротивления воздухопроницанию существенно влияют на качественную и количественную картину распределения потоков в здании. Таким образом, при решении системы уравнений для определения давлений в каждом помещении и узле вентиляционной сети учитывается влияние аэродинамических сопротивлений воздухопроницаемых элементов не только в оболочке здания, но и во внутренних ограждениях. По изложенному алгоритму на кафедре отопления и вентиляции МГСУ была разработана программа расчета воздушного режима здания , которая использована для расчетов режимов вентиляции в исследуемом жилом доме.

Как следует из расчетов, на внутреннее давление в помещениях влияние оказывают не только погодные условия, но и количество приточных клапанов, а также тяга вытяжной вентиляции. Так как в рассматриваемом доме во всех квартирах вентиляция одинаковая, в однокомнатной и двухкомнатных квартирах давление ниже, чем в трехкомнатной квартире. При открытых внутренних дверях в квартире давления в помещениях, ориентированных на разные стороны, практически не отличаются друг от друга.

На рис. 5 приведены значения изменения давлений помещений квартир.

Разности давлений на воздухопроницаемых элементах и потоки воздуха, проходящие через них

Потокораспределение в квартирах формируется под воздействием разностей давлений по разные стороны воздухопроницаемого элемента. На рис. 6, на плане последнего этажа, стрелками и цифрами показаны направления движения и расходы воздуха при различных погодных условиях.

При установке клапанов в жилых комнатах движение воздуха направлено из комнат к вентиляционным решеткам в кухнях, ванных комнатах и туалетах. Эта направленность движения сохраняется и в однокомнатной квартире, где клапан установлен в кухне.

Интересно, что направление движения воздуха не изменилось при понижении температуры от 5 до -28 °C и при появлении северного ветра со скоростью v = 4,9 м/с. Эксфильтрации не наблюдалось в течение всего отопительного сезона и при любом ветре, что свидетельствует о достаточности высоты шахты 4,5 м. Плотные входные двери в квартиры препятствуют горизонтальному перетеканию воздуха из квартир наветренного фасада в квартиры подветренного фасада. Наблюдается небольшое, до 2 кг/ч, вертикальное перетекание: из квартир нижних этажей через входные двери воздух выходит, а в квартиры верхних – входит. Так как расход воздуха через двери меньше, чем допускается по нормам (не более 1,5 кг/ч м 2), можно считать сопротивление воздухопроницанию 0,7 м 2 ч/кг для 17-этажного здания даже избыточным.

Работа системы вентиляции

Возможности системы вентиляции проверялись в расчетном режиме: при 5 °C в наружном воздухе, безветрии и открытых форточках. Расчеты показали, что начиная с 14 этажа вытяжные расходы недостаточны, поэтому сечение магистрального канала вентблока следует считать для данного здания заниженным. В случае замены форточек на клапаны расходы снижаются еще примерно на 15 %. Интересно отметить, что при 5 °C вне зависимости от скорости ветра через клапаны поступает от 88 до 92 % удаляемого системой вентиляции воздуха на первом этаже и от 84 до 91 % на последнем этаже. При температуре -28 °C приток через клапаны компенсирует вытяжку на 80–85 % на нижних этажах и на 81–86 % на верхних. Остальной воздух поступает в квартиры через окна (даже с сопротивлением воздухопроницанию 1 м 2 ч/кг при разности давлений D P о = 10 Па). При температуре наружного воздуха -3,1 °C и ниже расходы удаляемого вентиляционной системой воздуха и приточного через клапаны воздуха превышают проектный воздухообмен квартиры. Следовательно, необходимо регулирование расхода как на клапанах, так и на вентиляционных решетках.

В случаях полностью открытых клапанов при отрицательной температуре наружного воздуха вентиляционные расходы воздуха квартир первых этажей превышают расчетные в несколько раз. При этом вентиляционные расходы воздуха верхних этажей резко падают. Поэтому только при температуре наружного воздуха 5 °C расчеты выполнялись для полностью открытых клапанов во всем здании, а при более низких температурах клапаны нижних 12 этажей прикрывались на 1/3. Этим учитывалось то обстоятельство, что клапан имеет автоматическое управление по влажности помещения. В случае больших воздухообменов в квартире воздух будет сухим и клапан прикроется.

Расчеты показали, что при температуре наружного воздуха -10,2 °C и ниже во всем здании обеспечивается избыточная вытяжка через систему вентиляции. При температуре наружного воздуха -3,1 °C расчетные приток и вытяжка выдерживаются полностью только на нижних десяти этажах, а квартиры верхних этажей – при близкой к расчетной вытяжке – обеспечены притоком воздуха через клапаны на 65–90 % в зависимости от скорости ветра.

Выводы

1. В многоэтажных жилых домах с одним на квартиру стояком системы естественной вытяжной вентиляции, выполненным из бетонных блоков, как правило, сечения стволов занижены для пропуска вентиляционного воздуха при температуре наружного воздуха 5 °C.

2. Запроектированная система вентиляции при правильном монтаже стабильно работает на вытяжку в течение всего отопительного периода без «опрокидывания» системы вентиляции на всех этажах.

3. Приточные клапаны должны обязательно иметь возможность регулирования для снижения расхода воздуха в холодное время отопительного периода.

4. Для снижения расходов вытяжного воздуха желательна установка автоматически регулируемых решеток в системе естественной вентиляции.

5. Через плотные окна в многоэтажных зданиях существует инфильтрация, которая доходит в рассматриваемом здании до 20% от расхода вытяжки и которая должна быть учтена в теплопотерях здания.

6. Норма плотности входных дверей в квартиры для 17-этажных зданий выполняется при сопротивлении воздухопроницанию дверей 0,65 м 2 ч/кг при D Р = 10 Па.

Литература

1. СНиП 2.04.05-91*. Отопление, вентиляция, кондиционирование воздуха. М.: Стройиздат, 2000.

2. СНиП 2.01.07-85*. Нагрузки и воздействия / Госстрой РФ. М.: ГУП ЦПП, 1993.

3. СНиП II-3-79*. Строительная теплотехника / Госстрой РФ. М.: ГУП ЦПП, 1998.

4. Бирюков С. В., Дианов С. Н. Программа расчета воздушного режима здания // Сб. статей МГСУ: Современные технологии теплогазоснабжения и вентиляции. М.: МГСУ, 2001.

5. Бирюков С. В. Расчет систем естественной вентиляции на ЭВМ // Сб. докладов 7-й научно-практической конференции 18–20 апреля 2002 г.: Актуальные проблемы строительной теплофизики / РААСН РНТОС НИИСФ. М., 2002.

Процессы перемещения воздуха внутри помещений, движения его через ограждения и отверстия в ограждениях, по каналам и воздухово дам, обтекания здания потоком воздуха и взаимодействия здания с ок ружающей воздушной средой объединяются общим понятием воздуш ный режим здания. В отоплении рассматривается тепловой режим зда ния. Эти два режима, а также влажностный режим тесно связаны меж ду собой. Аналогично тепловому режиму при рассмотрении воздушного режима здания различают три задачи: внутреннюю, краевую и внешнюю.

К внутренней задаче воздушного режима относятся следующие вопросы:

а) расчет требуемого воздухообмена в помещении (определение количества поступающих в помещения вредных выделений, выбор про изводительности систем местной и общеобменной вентиляции);

б) определение параметров внутреннего воздуха (температуры, влажности, скорости движения и содержания вредных веществ) и рас пределения их по объему помещений при различных вариантах подачи и удаления воздуха. Выбор оптимальных вариантов подачи и удаления воздуха;

в) определение параметров воздуха (температуры и скорости дви жения) в струйных течениях, создаваемых приточной вентиляцией;

г) расчет количества вредных выделений, выбивающихся из-под укрытий местных отсосов (диффузия вредных выделений в потоке воз духа и в помещениях);

д) создание нормальных условий на рабочих местах (душирование) или в отдельных частях помещений (оазисы) путем подбора параметров подаваемого приточного воздуха.

Краевая задача воздушного режима объединяет следующие вопросы:

а) определение количества воздуха, проходящего через наружные (инфильтрация и эксфильтрация) и внутренние (перетекание) ограж дения. Инфильтрация приводит к увеличению теплопотерь помещений. Наибольшая инфильтрация наблюдается в нижних этажах многоэтаж ных зданий и в высоких производственных помещениях. Неорганизо ванное перетекание воздуха между помещениями приводит к загрязне нию чистых помещений и распространению по зданию неприятных запахов;

б) расчет площадей отверстий для аэрации;

в) расчет размеров каналов, воздуховодов, шахт и других элемен тов систем вентиляции;

г) выбор способа обработки воздуха - придание ему определен ных «кондиций»: для притока - это нагрев (охлаждение), увлажнение (осушка), очистка от пыли, озонирование; для вытяжки - это очистка от пыли и вредных газов;

д) разработка мероприятий по защите помещений от врывания холодного наружного воздуха через открытые проемы (наружные две ри, ворота, технологические отверстия). Для защиты обычно применяют воздушные и воздушно-тепловые завесы.

Внешняя задача воздушного режима включает следующие вопросы:

а) определение давления, создаваемого ветром, на здание и от дельные его элементы (например, дефлектор, фонарь, фасады и т. д.);

б) расчет максимально возможного количества выбросов, не при водящего к загрязнению территории промышленных предприятий; определение проветриваемости пространства вблизи здания и между отдельными зданиями на промышленной площадке;

в) выбор мест расположения воздухозаборов и вытяжных шахт вентиляционных систем;

г) расчет и прогнозирование загрязнения атмосферы вредными вы бросами; проверка достаточности степени очистки выбрасываемого за грязненного воздуха.

Принципиальные решения вентиляции пром. здания.

42. Звук и шум, их природа, физические характеристики. Источники возникновения шума в вентиляционных системах.

Шум - беспорядочные колебания различной физической природы, отличающиеся сложностью временной и спектральной структуры.

Первоначально слово шум относилось исключительно к звуковым колебаниям, однако в современной науке оно было распространено и на другие виды колебаний (радио-, электричество).

Шум - совокупность апериодических звуков различной интенсивности и частоты. С физиологической точки зрения шум - это всякий неблагоприятный воспринимаемый звук.

Классификация шума. Шумы, состоящие из беспорядочного сочетания звуков, носят название статистических. Шумы с преобладанием какого-либо тона, улавливаемого на слух, называются тональными.

В зависимости от среды, в которой распространяется звук, условно различают структурные или корпусные и воздушные шумы. Структурные шумы возникают при непосредственном контакте колеблющегося тела с частями машины, трубопроводами, строительными конструкциями и т. д. и распространяются по ним в виде волн (продольных, поперечных или тех и других одновременно). Колеблющиеся поверхности сообщают колебания прилегающим к ним частицам воздуха, образуя звуковые волны. В тех случаях, когда источник шума не связан с какими-либо конструкциями, излучаемый им в воздух шум носит название воздушного.

По характеру возникновения шум условно делят на механический, аэродинамический и магнитный.

По характеру изменения общей интенсивности во времени шумы подразделяются на импульсные и стабильные. У импульсного шума происходит быстрое нарастание звуковой энергии и быстрый спад, после чего следует длительный перерыв. У стабильного шума энергия во времени изменяется мало.

По продолжительности действия шумы подразделяют на продолжительные (суммарная длительность непрерывно или с паузами не менее 4 ч в смену) и кратковременные (длительность менее 4 ч в смену).

Звук, в широком смысле - упругие волны, продольно распространяющиеся в среде и создающие в ней механические колебания; в узком смысле - субъективное восприятие этих колебаний специальными органами чувств животных или человека.

Как и любая волна, звук характеризуется амплитудой и спектром частот. Обычно человек слышит звуки, передаваемые по воздуху, в диапазоне частот от 16-20 Гц до 15-20 кГц. Звук ниже диапазона слышимости человека называют инфразвуком; выше: до 1 ГГц, - ультразвуком, от 1 ГГц - гиперзвуком. Среди слышимых звуков следует также особо выделить фонетические, речевые звуки и фонемы (из которых состоит устная речь) и музыкальные звуки (из которых состоит музыка).

Источником шума и вибрации в вентиляционных системах является вентилятор, в котором имеют место нестационарные процессы течения воздуха через рабочее колесо и в самом кожухе. К их числу относятся пульсации скорости, образование и срыв вихрей с элементов вентилятора. Указанные факторы являются причиной возникновения аэродинамического шума.

Е.Я. Юдин, исследовавший шум вентиляционных установок, указывает на три основные составляющие аэродинамического шума, создаваемого вентилятором:

1) вихревой шум - следствие образования вихрей и периодического срыва их при обтекании элементов вентилятора потоком воздуха;

2) шум от местных неоднородностей потока, образующихся на входе и выходе из колеса и приводящих к нестационарному обтеканию лопаток и неподвижных элементов вентилятора, расположенных около колеса;

3) шум вращения - каждая движущаяся лопатка колеса вентилятора является источником возмущения воздушной среды и образования вихрей. Доля шума вращения в общем шуме вентилятора обычно незначительна.

Колебания элементов конструкции вентиляционной установки, часто вследствие неудовлетворительной балансировки колеса, являются причиной механического шума. Механический шума вентилятора обычно имеет ударный характер, пример тому - стуки в зазорах изношенных подшипников.

Зависимость шума от окружной скорости рабочего колеса при различных характеристиках сети для центробежного вентилятора с загнутыми вперед лопатками представлена на рисунке. Из рисунка следует, что при окружной скорости более 13 м/с механический шум шарикоподшипников «маскируется» аэродинамическим шумом; при меньшей скорости шум подшипников преобладает. При окружной скорости более 13 м/с уровень аэродинамического шума растет быстрее уровня механического шума. У центробежных вентиляторов с гнутыми назад лопатками уровень аэродинамического шума несколько меньше, чем у вентиляторов с лопатками, загнутыми вперед.

В системах вентиляции кроме вентилятора источниками шума могут быть вихри, образующиеся в элементах воздуховодов и в вентиляционных решетках, а также колебания недостаточно жестких стенок воздуховодов. Кроме того, возможно проникновение через стенки воздуховодов и вентиляционные решетки посторонних шумов из соседних помещений, через которые проходит воздуховод.

За счет разности температур под действием гравитационного давления в помещения нижних этажей через ограждение проникает наружный воздух; с наветренной стороны действие ветра усиливает инфильтрацию; с заветренной – уменьшает ее.

Внутренний воздух с первых этажей стремиться проникнуть в верхнее помещение (он перетекает через внутренние двери и коридоры, которые соединены с лестничной клеткой).

Из помещений верхних этажей воздух уходит через не плотности наружных ограждений за пределы здания.

Помещения средних этажей могут находиться в условиях смешанного режима. На естественный воздухообмен в здании накладывается действие приточной и вытяжной вентиляции.

1. При отсутствии ветра на поверхностях наружных стен будет действовать разной величины гравитационное давление. По закону сохранения энергии среднее давление по высоте внутри и снаружи здания будет одинаковым. Относительно среднего уровня в нижней части здания давление столба теплого внутреннего воздуха будет меньше, чем давление столба наружного холодного воздуха с внешней поверхности стены.

Плотностью нулевого избыточного давления называется нейтральной плоскостью здания.

Рисунок 9.1 – Построение эпюр избыточных давлений

Величина избыточного давления гравитационного на произвольным уровне h относительно нейтральной плоскости:

(9.1)

2. Если здание обдувается ветром, а температуры внутри здания и вне его равны, то на внешних поверхностях ограждений будет создаваться повышение статического давление или разряжение.

По закону сохранения энергии давление внутри здания при одинаковой проницаемости будет равно среднему значению между повышенным с наветренным и пониженным с заветренной стороны.

Абсолютная величина избыточного ветрового давления:

, (9.2)

где k 1 ,k 2 – аэродинамические коэффициенты соответственно с наветренной и заветренной стороны здания;

Динамическое давление, набегающее на здание потоком воздуха.

Для расчета инфильтрации воздуха через наружное ограждение разность давлений воздуха снаружи и внутри помещения, Па, составляет:

где Н ш – высота устья вентиляционной шахты от уровня земли (отметка расположения точки условного нуля давления);

Н э – высота центра рассматриваемого элемента здания (окно, стена, дверь и т.д.) от уровня земли;

Коэффициент, вводимый на скоростное давление и учитывающий изменение скорости ветра от высоты здания, изменение скорости ветра от наружной температуры зависит от района;

Давление воздуха в помещение, определяемое из условия соблюдения воздушного баланса;

Избыточное относительное давление в помещение из-за действия вентиляции.

Например, для административных зданий корпусов НИИ и им подобных характерна сбалансированная приточно-вытяжная вентиляция в рабочем режиме или полное отключение вентиляции в нерабочее время Р в = 0. Для таких зданий ориентировочное значение:

3. Для оценки влияния воздушного режима здания на тепловой режим используют упрощенные способы расчета.

Случай А. В многоэтажном здании во всех помещениях вентиляционная вытяжка полностью компенсируется вентиляционным притоком, поэтому = 0.

К этому случаю относятся здания без вентиляции или с механической приточно-вытяжной вентиляцией всех помещений с равными расходами по притоку и вытяжке. Давление равно давлению в лестничной клетке и непосредственно соединенных с ней коридорах.

Величина давления внутри отдельных помещений находится между давлением и давлением на внешней поверхности этого помещения . Принимаем, что за счёт разности воздух последовательно проходит через окна и внутренние двери, выходящие на лестничную клетку, и коридоры, исходные расходы воздуха и давления внутри помещения можно рассчитать по формуле:

где - характеристики проницаемости площади окна, двери из помещения выходящих в коридор или на лестничную клетку.

Воздушным режимом здания называют совокупность факторов и явлений, определяющих общий процесс обмена воздуха между всеми его помещениями и наружным воздухом, включающий перемещение воздуха внутри помещений, движение воздуха через ограждения, проемы, каналы и воздуховоды и обтекание здания потоком воздуха. Традиционно при рассмотрении отдельных вопросов воздушного режима здания их объединяют в три задачи: внутреннюю, краевую и внешнюю.

Общая физико-математическая постановка задачи о воздушном режиме здания возможна лишь в самом обобщенном виде. Отдельные процессы весьма сложны. Описание их базируется на классических уравнениях переноса массы, энергии, импульса в турбулентном потоке.

С позиций специальности «Теплоснабжение и вентиляция» наиболее актуальны следующие явления: инфильтрация и эксфильтрация воздуха через наружные ограждения и проемы (неорганизованный естественный воздухообмен, увеличивающий теплопотери помещения и снижающий теплозащитные свойства наружных ограждений); аэрация (организованный естественный воздухообмен для вентиляции теплонапряженных помещений); перетекание воздуха между смежными помещениями (неорганизованное и организованное).

Естественными силами, вызывающими движение воздуха в здании, являются гравитационное и ветровое давления. Температура и плотность воздуха внутри и снаружи здания обычно неодинаковы, в результате чего гравитационное давление по сторонам ограждений оказывается разным. За счет действия ветра на наветренной стороне здания создается подпор, а на поверхностях ограждений возникает избыточное статическое давление. На заветренной стороне образуется разрежение и статическое давление оказывается пониженным. Таким образом, при ветре давление с внешней стороны здания отличается от давления внутри помещений.

Гравитационное и ветровое давления обычно действуют совместно. Воздухообмен под влиянием этих естественных сил трудно рассчитывать и прогнозировать. Его можно уменьшить, уплотняя ограждения, а также частично регулировать с помощью дросселирования каналов вентиляции, открыванием окон, фрамуr и вентиляционных фонарей.

Воздушный режим связан с тепловым режимом здания. Инфильтрация наружного воздуха приводит к дополнительным затратам тепла на его подогрев. Эксфильтрация влажного внутреннего воздуха увлажняет и снижает теплозащитные свойства ограждений.

Положение и размеры зоны инфильтрации и эксфильтрации в здании зависят от геометрии, конструктивных особенностей, режима вентилирования здания, а также от района строительства, времени года и параметров климата.

Между фильтрующимся воздухом и ограждением происходит теплообмен, интенсивность которого зависит от места фильтрации в конструкции ограждения (массив, стык панелей, окна, воздушные прослойки и т. д.). Таким образом, возникает необходимость в расчетах воздушного режима здания: определении интенсивности инфильтрации и эксфильтрации воздуха и решении задачи теплопередачи отдельных частей ограждения при наличии воздухопроницания.