6.5.Системы вентиляции с естественным побуждением

Воздухообмен здания с окружающей средой может осуществляться как за счет работы механических вентиляторов, так и за счет разности плотностей внутри и вне здания и динамического воздействия ветра на ограждающие конструкции здания. Такой воздухообмен называется естественным. Специально организованный воздухообмен здания с окружающей средой называется аэрацией.

Проемы, через которые наружный воздух поступает в здание, называются приточными, проемы, через которые воздух выходит из здания, – вытяжными (рис. 6.14).

2 2

Рис. 6.14. Естественный воздухообмен здания:

1 – приточные проемы; 2 – вытяжные проемы; 3 – источник тепла; Gу – расход воздуха, уходящего из помещения;

Gп – расход воздуха, поступающего в помещение

Аэрация широко используется для вентилирования производственных помещений с избытками тепла, а также для проветривания помещений в жилых и общественных зданиях через форточки и окна. Применение аэрации выгодно по сравнению с механической вентиляцией,так как она обеспечивает очень большие расходы воздуха без затрат электроэнергии. Научной основой аэрации в нашей стране является созданная трудами П. Н. Каменева, В. В. Батурина, И.Ф. Ливчака и др. теория естественного газообмена.

Расходом воздуха или другого газа называется его количество (масса или объем), проходящее через проем или другое контрольное сечение (определенную часть проема) в единицу времени. Массовый расход воздуха G, кг/с, связан со скоростью воздуха и площадью проема соотношением

где ρ – плотность воздуха, кг/м3; U – скорость воздуха, м/с;

B, h – ширина и высота проема, м.

139

Объемный расход воздуха Q, м3/с, определяется выражением

При расчетах аэрации необходимо решить две задачи:

−определение площади проемов для обеспечения заданных расходов приточного или удаляемого воздуха (конструкторский расчет);

−определение расходов воздуха при заданной площади приточных

ивытяжных проемов (поверочный расчет).

И при конструкторском и приповерочном расчетах температура воздуха внутриивнездания и скорость ветра задаются в качестве исходных данных.

Распространение продуктов горения по зданиям и помещениям во время пожара подчиняется законам аэрации. Знание закономерностей распространения продуктов горения по помещениям и зданиям при пожаре очень важно с точки зрения обеспечения безопасности людей. Допустимое время эвакуации может быть получено путем анализа данных о движении продуктов горения.

6.5.1.Аэрация под действием избытков тепла

Температура воздуха Tв, К, в помещениях здания отличается от температуры наружного воздуха Tн, К. Причиной этого является работа отопительных приборов, выделение тепла в технологических процессах.

Плотность воздуха ρ, кг/м3, связана с температурой воздуха t, °С (Т, К), соотношением

где Р – давление на высоте y, Па;

Р0 – давление на высоте y = 0, Па; y – вертикальная координата, м; ρ – плотность газа, кг/м3.

Если температура газа по высоте не изменяется, то его плотность в последней формуле можно вынести за знак интеграла и выражение для давления упрощается:

Рассмотрим газообмен помещения с окружающей средой через один открытый проем. Температура в помещении выше, чем снаружи здания. Эпюра (разность) давлений Р, Па, по высоте вблизи проемов (рис. 6.15) выражается зависимостью

140

Р0в – внутреннее давление на уровне пола; ρн – плотность наружного воздуха; ρв – плотность внутреннего воздуха.

Рис. 6.15. Аэрация под действием избытков тепла:

Tн – температура наружного воздуха; Тв – температура внутреннего воздуха; h1 – вертикальная координата нижнего края проема; h2 – вертикальная координата верхнего края проема; y0 – координата нейтральной плоскости

Плоскость, на которой давления в смежных помещениях равны, называется плоскостью равных давлений или нейтральной плоскостью.

Средний по высоте перепад давлений от отметки нижнего края проема до нейтральной плоскости вычисляется по формуле

а средний перепад давлений от нейтральной плоскости до отметки верхнего края проема по формуле

Массовый расход воздуха, проходящего через нижнюю часть проема, вычисляется по формуле Дарси:

где μ – коэффициент расхода воздуха через проем, зависящий от режима течения (ламинарный или турбулентный) и от формы проема.

Расход воздуха, входящего в помещение, равен расходу воздуха, выходящего их него:

Последнее соотношение представляет собой закон сохранения массы. С помощью уравнений (6.19)–(6.27) можно получить выражения для определения расходов Gп, Gу и положения нейтральной плоскости y0.

141

Gу = μ (h2 – y0) В [ρв (h2 – y0) g (ρн – ρв)]0,5.

Температура воздуха в помещении обычно не очень сильно отличается от температуры наружного воздуха, а отношение этих температур близко к единице. Поэтому плоскость равных давлений располагается рядом с серединой проема.

Зная положение плоскости равных давлений, можно рассчитать расходы воздуха, входящего в помещение и выходящего из него.

6.5.2.Аэрация под действием ветра

Ветер представляет собой направленное движение воздуха и характеризуется скоростью воздушного потока. Воздушный поток оказывает динамическое воздействие на встречающиеся на его пути препятствия (рис. 6.16). Некоторая доля динамического давления потока преобразуется в статическое давление на поверхности препятствия. На фасаде здания, обращенном к направлению ветра (наветренный фасад), создается положительное избыточное давление, на противоположном (заветренный или подветренный) и боковых фасадах создается отрицательное избыточное давление (разрежение).

–

аб

Рис. 6.16. Схема обтекания препятствия потоком воздуха: а – разрез; б – план:

– положительное избыточное давление;

– отрицательное избыточное давление (разрежение)

142

Доля динамического давления, преобразующаяся в статическое давление на фасаде здания Р, Па, количественно характеризуется аэродинамическим коэффициентом:

где Uв – скорость ветра, м/с;

Кa – аэродинамический коэффициент.

Значения аэродинамического коэффициента получают экспериментально в аэродинамических трубах. Модель здания или изделия помещают в воздушный поток. Измеряются скорость потока и статические давления на поверхности модели. Такие измерения показали, что для зданий, высота которых не превышает 3 м от планировочной отметки земли, для наветренного фасада аэродинамический коэффициент Кн = 0,4, для заветренного фасада Кз = –0,3, для боковых фасадов Кбок = 0.

Для зданий высотой более 3 м для наветренного фасада Кн = 0,8, для заветренного – Кз = –0,6, для боковых – Кбок = –0,4.

Скорость ветра изменяется по высоте. Зависимость изменения скоро-

сти ветра выражается формулой

Uy = U0 (y / y0)n,

где Uy – скорость ветра на высоте y, м/с; U0 – скорость ветра на высоте y0;

n – показатель степени, зависящий от рельефа местности (для равнинной местности n = 0,16; для городской застройки n = 0,4).

Рассмотрим газообмен помещения через два проема, расположенных на противоположных фасадах, под действием ветра. Скорость ветра Uв, температура Tн и плотность наружного воздуха ρн заданы, заданными величинами являются также площади проемов F1 и F2 и коэффициенты расхода проемов μ1 и μ2. Искомыми величинами являются расходы воздуха G1 и G2 и давление внутри помещения Рв.

Наружные давления на наветренном Рн.н, Па, и заветренном Рн.з, Па, фасадах вычисляем по формуле (6.31) путем подстановки в нее соответствующих аэродинамических коэффициентов:

Эпюры давлений в случае аэрации под действием ветра имеют вид прямоугольников (рис. 6.17).

Рис. 6.17. Схема газообмена помещения под действием ветровых давлений

143