М. А. Малахов, главный инженер проектов «Моспроект-2» им. М. В. Посохина
А. Е. Савенков, главный специалист «Моспроект-2» им. М. В. Посохина
В последние годы появилось новое название вентиляции в жилых зданиях – гибридная вентиляция. Под этим подразумевается использование известной естественной системы вентиляции и механической – без переключающих клапанов. Это можно просто реализовать в типовых домах П-44 и др., в которых имеются тёплые верхние технические этажи с температурой около 14 ºС, полученной за счёт теплоты вытяжного воздуха, поступающего из квартир через вертикальные вентблоки индустриального изготовления (типа БВ-49-1).
Статья содержит предложения по усовершенствованию вентиляции в жилых зданиях до 22 этажей при новом проектировании и при реконструкции существующих зданий с тёплыми чердаками.
Тёплый чердак является хорошей сборной камерой, из которой воздух удаляется наружу через одну общую шахту на каждую секцию.
Такая система была заложена в 1976 году в типовых проектах (в МНИИТЭПе, в лаборатории М. М. Грудзинского) и продолжает осуществляться в новом строительстве.
Однако за эти годы выявились отдельные недостатки такой системы в связи с тем, что сейчас широко применяются новые герметичные окна, через которые отсутствует инфильтрация в необходимом объёме для нормативного воздухообмена в квартирах.
Отсюда появилась потребность в специальных регулируемых приточных клапанах, которые устанавливаются в самом окне или в стенах. Такие клапаны (типа «АЭРЭКО» или «АЛЬДЕС») стали необходимой принадлежностью для улучшения вентиляции без открывания форточек, что соответствует требованиям защиты от уличного шума и является эффективным средством экономии тепла совместно с термостатами на отопительных приборах, которые стали теперь уже обязательными в общей программе экономии тепловой энергии в здании. Экономия достигается за счёт дозированного поступления наружного воздуха при повышении относительной влажности в помещениях. При этом клапан может иметь фиксированный расход воздуха для постоянного минимального воздухообмена при отсутствии людей в квартире.
Рисунок 1
Расчётная схема эжекторной вытяжной установки:
1 – шумоглушитель;
2 – осевой вентилятор;
3 – выпрямитель потока;
4 – патрубок эжектора;
5 – сопло эжектора;
6 – ствол дефлектора;
7 – дефлектор «АС»;
8 – переходы;
D 1 – диаметр патрубка;
D 2 – диаметр сопла;
D 3 – диаметр ствола (камеры смещения);
D (L2) – диаметр струи на расстоянии L2.
Расчёт схемы приведен в журнале «АВОК», № 6, 2008.
Для нормальной работы клапана требуется перепад давления около 10 Па, и для этого необходима достаточно эффективная вытяжная вентиляция в квартире. В зимний период этот перепад обеспечивается в основном за счёт гравитационного напора, за исключением верхних 2–3 этажей, для которых рекомендована установка индивидуальных бытовых вентиляторов.
В целом, в жилых 17-этажных домах естественная вентиляция функционирует нормально до температуры 5 °С, как это предусмотрено нормами. Для стабилизации вытяжки по всем этажам с целью возможности установки приточных клапанов в «Моспроекте-2» им. М. В. Посохина была предложена гибридная естественно-механическая вытяжная система с использованием эжектора низкого давления и осевого вентилятора в общей вытяжной шахте в каждой секции дома. При этом остаются все индустриальные элементы здания (вентблоки, тёплый чердак и общая вытяжная шахта).
Рисунок 2
Схема естественно-механической (эжекторной) установки с двумя дефлекторами для 22-этажного здания
Это обстоятельство даёт возможность довольно просто осуществить реконструкцию вентиляции существующих жилых зданий, построенных в большом количестве в Москве и подлежащих капитальному ремонту согласно подготовленному правительством плану.
Эжекторные вытяжные системы реализованы по ул. Профсоюзной, 91 и в корпусе № 4 по Мичуринскому проспекту. Подробное описание систем опубликовано в журналах «АВОК» (2003, № 3; 2006, № 7; 2008, № 6).
Для зданий до 22 этажей (по указанным выше адресам) были установлены по 2 дефлектора диаметром 900 мм при скорости в стволе дефлектора 2,5 м/с и общим расходом на секцию 11 000 м 3 /ч (22 этажа).
Рисунок 3
Конструктивный разрез по венткамере с двумя дефлекторами
Конструкция данной эжекторной установки основана на естественной вентиляции до t нар = 5 °С и на включении осевого вентилятора при t нар > 5 °C или при необходимости, по условиям эксплуатации. Коэффициент эжекции установки принимается b = 0,8–1,0, и вентилятор принимается производительностью 50–55 % от расчётного расхода воздуха при напоре 170–220 Па для создания эжекции. Установленная мощность вентилятора 1,25 кВт на одну эжекторную установку.
Следует отметить необходимость комплектации вентиляторов ступенчатыми регуляторами оборотов, так как при наружной температуре ниже 5 °С за счёт гравитационного напора производительность вентилятора увеличивается вдвое. Эти данные получены при испытаниях систем в корпусе № 4 по Мичуринскому проспекту (в двух секциях по 22 этажа).
Рисунок 4
Предложения по реконструкции существующих жилых зданий с тёплыми чердаками (17 этажей, П-44 и др.)
В целом эти испытания показали следующее:
1. В естественном режиме система работает вполне удовлетворительно.
2. При включении вентилятора, вытяжка на верхнем этаже затухает. Причиной этого явилось отсутствие на тех-этаже заводского оголовка, замененного коробом из кирпича. В результате значительного увеличения скорости в сборном канале вентблоков верхний спутник блока заглушало воздухом. Отсюда вывод: обязательно устанавливать заводские оголовки и дополнительно от спутников верхнего этажа отводить вертикальные участки вверх длиной около 1,0 м, то есть выше оголовков.
3. В качестве дефлекторов над шахтами следует устанавливать тип АС «Вентстроймонтаж», так как они показали лучшие результаты при замерах.
4. В качестве вытяжных решеток на спутниках вентблоков необходимо устанавливать вытяжные регулируемые диффузоры (например, ДПУ-М «Арктос») для возможности первичной регулировки системы по вертикали.
В указанных публикациях журнала «АВОК» по эжекторным системам приводится подробный разбор и необходимые расчёты, которыми можно пользоваться при проектировании, а также необходимые данные для подбора оборудования для зданий различной этажности.
Осевые вентиляторы серии «FE» (Германия), имеющие удовлетворительные шумовые характеристики, поставляются фирмой «КОРФ».
2. Использовать приточные щелевые или другие клапаны с автоматическим переменным расходом воздуха.
3. Для регулирования объёма вытяжки можно использовать вытяжные решетки фирм «АЭРЭКО» или «АЛЬДЕС»; допустимы другие регулируемые устройства, например ДПУ-М «АРКТОС».
Литература
1. Малахов М. А. Проект естественно-механической вентиляции жилого дома в Москве /АВОК. – 2003. – № 3.
2. Малахов М. А. Системы естественно-механической вентиляции в жилых зданиях с теплыми чердаками /АВОК. – 2006. – № 7.
3. Малахов М. А., Савенков А. Е. Опыт проектирования естественно-механической вентиляции в жилых зданиях с теплыми чердаками / АВОК. – 2008. – № 6.
4. Бутцев Б. И. АЭРЭКО в России. Десять лет спустя / проспект.
В системах механической вентиляции движение воздуха осуществляется вентиляторами и в некоторых случаях эжекторами.
3.1 Приточная вентиляция. Установки приточной вентиляции обычно состоят из следующих элементов (рис.4):
Рис. 4. Механическая вентиляция
Воздухозаборного устройства (воздухоприемника) 1 для забора чистого воздуха, устанавливаемого снаружи здания в тех местах, где содержание вредных веществ минимально (или они отсутствуют вообще); воздуховодов 2, по которым воздух подается в помещение; наиболее часто воздуховоды делаются металлическими, реже – бетонными, кирпичными, шлакоалебастровыми и т.п; фильтров 3 для очистки воздуха от пыли; калориферов 4, где воздух нагревается (наибольшее распространение получили калориферы, в которых теплоносителем является горячая вода или пар; используются также и электрокалориферы); вентилятора 5; приточных отверстий или насадков 6, через которые воздух попадает в помещение (воздух может подаваться сосредоточенно или равномерно по помещению); регистрирующих устройств, устанавливаемых в воздухоприемном устройстве и на ответвлениях воздуховодов.
Фильтр, калорифер и вентилятор обычно устанавливают в одном помещении, в так называемой вентиляционной камере. Воздух подается в рабочую зону, причем скорости выхода воздуха ограничены допустимым шумом и подвижностью воздуха на рабочем месте.
3.2. Вытяжная вентиляция. Установки вытяжной вентиляции состоят (рис.4, б) из вытяжных отверстий или насадков 7, через которые воздух удаляется из помещения; вентилятора 5, воздуховодов 2; устройства для очистки воздуха от пыли или газов 8, устанавливаемого в тех случаях, когда выбрасываемый воздух необходимо очищать с целью обеспечения нормативных концентраций вредных веществ в выбрасываемом воздухе и в воздухе населенных мест, устройства для выброса воздуха (вытяжной шахты) 9, которое должно быть расположено на 1 – 1,5 м выше конька крыши.
При работе вытяжной системы чистый воздух поступает в помещение через неплотности в ограждающих конструкциях. В ряде случаев это обстоятельство является серьезным недостатком данной системы вентиляции, так как неорганизованный приток холодного воздуха (сквозняки) может вызвать простудные заболевания.
3.3. Приточно-вытяжная вентиляция. В этой системе воздух подается в помещение приточной вентиляцией, а удаляется вытяжной вентиляцией (рис. 4, а и б), работающими одновременно. Место расположения приточных и вытяжных воздуховодов, отверстий и насадков, количество подаваемого и вытягиваемого воздуха выбирается с учетом требований, предъявляемых к системе вентиляции.
Место для забора свежего воздуха выбирается с учетом направления ветра, с наветренной стороны по отношению к выбросным отверстиям, вдали от мест загрязнений.
Приточно-вытяжная вентиляция с рециркуляцией (рис. 4,в) характерна тем, что воздух, отсасываемый из помещения 10 вытяжной системой, частично повторно подают в это помещение через приточную систему, соединенную с вытяжной системой воздуховодом 11. Регулировка количества свежего, вторичного и выбрасываемого воздуха производится клапанами 12. В результате такой системы вентиляции достигается экономия расходуемой теплоты на нагрев воздуха в холодное время года и на его очистку.
Для рециркуляции разрешается использовать воздух помещений, в которых отсутствуют выделения вредных веществ или выделяющиеся вещества относятся к 4-му классу опасности, причем концентрация этих веществ в подаваемом в помещение воздухе не превышает 0,3 q пдк.
Кроме того, применение рециркуляции не допускается, если в воздухе помещений содержатся болезнетворные бактерии, вирусы, имеются резко выраженные неприятные запахи.
Вентиляторы – это воздуходувные машины, создающие определенное давление и служащие для перемещения воздуха при потерях давления в вентиляционной сети не более кПа. Наиболее распространенными являются осевые и радиальные (центробежные) вентиляторы.
Осевой вентилятор (рис. 5,а) представляет собой расположенное в цилиндрическом кожухе лопаточное колесо, при вращении которого поступающий в вентилятор воздух под действием лопаток перемещается в осевом направлении. Это наиболее простая конструкция осевого вентилятора. Широко применяются более сложные вентиляторы, снабженные направляющими и спрямляющими аппаратами. Преимуществами осевых вентиляторов являются простота конструкции, возможность эффективного регулирования производительности в широких пределах посредством поворота лопаток колеса, большая производительность, реверсивность работы. К недостаткам относятся относительно малая величина давления и повышенный шум. Чаще всего применяют эти вентиляторы при малых сопротивлениях вентиляционной сети (примерно до 200 Па), хотя возможно использование этих вентиляторов при больших сопротивлениях (до 1 кПа).
Рис. 5. Вентиляторы
Радиальный (центробежный) вентилятор (рис. 5) состоит из спирального корпуса 1 с размещенными внутри лопаточным колесом 2, при вращении которого воздух, поступающий через входное отверстие 3, попадает в каналы между лопатками колеса и под действием центробежной силы перемещается по этим каналам, собирается в корпусе и выбрасывается через выпускное отверстие 4.
В зависимости от развиваемого давления вентиляторы делят на следующие группы: низкого давления – до 1кПа (рис. 5,в); среднего давления – 1 – 3 кПа; высокого давления - - 12 кПа.
Вентиляторы низкого давления и среднего давления применяют в установках общеобменной и местной вентиляции, кондиционирования воздуха и т.п. Вентиляторы высокого давления используют в основном для технологических целей, например, для дутья в вагранки.
Перемещаемый вентиляторами воздух может содержать самые разнообразные примеси в виде пыли, газов, паров, кислот и щелочей, а также взрывоопасные смеси. Поэтому в зависимости от состава перемещаемого воздуха вентиляторы изготовляют из определенных материалов и различной конструкции:
а) обычного использования для перемещения чистого или малозапыленного воздуха (до 100 мг/м 3) с температурой не выше 80ºС; все части таких вентиляторов изготовляют из обычных сортов стали;
б) антикоррозионного исполнения – для перемещения агрессивных сред (пары кислот, щелочей); в этом случае вентиляторы изготовляют из стойких против этих сред материалов – железохромистой и хромникелевой стали, винипласта и т.д;
в) искрозащитного исполнения – для перемещения взрывоопасных смесей, например, содержащих водород, ацетилен и т.д.; основное требование, предъявляемое к таким вентиляторам, – полное исключение искрения при их работе (вследствие ударов или трения), поэтому колеса, корпуса и входные патрубки вентиляторов изготовляют из алюминия или дюралюминия; участок вала находящийся в потоке взрывоопасной смеси, закрывают алюминиевыми колпаками и втулкой, а в месте прохода вала через кожух устанавливают сальниковое уплотнение;
г) пылевые – для перемещения пыльного воздуха (содержание пыли более 100 мг/м 3); рабочие колеса вентиляторов изготовляют из материалов повышенной прочности, они имеют мало (4–8) лопаток.
По типу привода вентиляторы выпускают с непосредственным соединением с электродвигателем (колесо вентилятора находится на валу электродвигателя или вал колеса соединен с валом электродвигателя при помощи соединительной муфты) и с клиноременной передачей (на валу колеса есть шкив). Радиальные вентиляторы бывают правого и левого вращения. Вентилятор считается правого вращения, когда колесо вращается по часовой стрелке (если смотреть со стороны, противоположной входу).
В зависимости от конкретных условий работы каждой вентиляционной установки выбирают привод вентилятора и направление вращения колеса, которое в любом случае будет правильным, если направлено по ходу разворота спирали кожуха.
В настоящее время промышленность выпускает различные типы осевых (МЦ, ЦЗ–0,4) и радиальных вентиляторов (Ц4 –70, Ц4–76, Ц8–18 и т.д.) для установок вентиляции и кондиционирования воздуха промышленных предприятий.
Вентиляторы изготовляют различных размеров, и каждому из вентиляторов соответствует определенный номер, показывающий величину диаметра рабочего колеса в дециметрах. Например, вентилятор Ц4–70 №6,3 имеет диаметр колеса 6,3 дм, или 630 мм. вентиляторы различных номеров, выполненные по одной и той же аэродинамической схеме, имеют геометрически подобные размеры и составляют одну серию или тип, например, Ц4–70.
Для подбора осевых вентиляторов, как правило, нужно знать требуемую производительность, равную количеству воздуха, определяемую расчетным путем, полное давление. Номер вентилятора и электродвигатель к нему выбирают по справочникам. Для подбора радиальных вентиляторов, кроме производительности и давления, необходимо выбрать их конструктивное исполнение.
Полное давление ρ в, развиваемое вентилятором, расходуется на преодоление сопротивлений во всасывающем и нагнетательном воздуховодах, возникающих при перемещении воздуха:
P в = ∆p вс + ∆p н = ∆p п, (8)
где ∆p вс и ∆p н – потери давления во всасывающем и нагнетательном воздуховодах; ∆p п – суммарные потери давления в вентиляционной сети.
Потери давления складываются из потерь на трение (за счет шероховатости поверхностей воздуховодов) и местные сопротивления (повороты, изменения сечения, фильтры, калориферы и т.д.).
Потери ∆p п (Па) определяют суммированием потерь давления на отдельных расчетных участках сети:
∆p i = ∆p тр i + ∆p мс i = ∆p тр i y l i + (10)
где ∆p тр i и ∆p мс i – соответственно потери давления на трение и на преодоление местных сопротивлений на расчетном i-м участке воздуховода; ∆p тр i y –потери давления на трение на 1 м длины; l i –длина расчетного участка воздуховода, м; -сумма коэффициентов местных сопротивлений на расчетном участке; -скорость воздуха в воздуховоде, м/с; ρ –плотность воздуха, кг/м 3 .
Величины ∆p тр i y и ζ приводятся в справочниках. Порядок расчета вентиляционной сети следующий.
1. Выбирают конфигурацию сети в зависимости от размещения помещений, установок, оборудования, которые должна обслуживать вентиляционная система.
2. Зная требуемое количество воздуха на отдельных участках воздуховодов, определяют поперечные размеры с учетом допустимых скоростей движения воздуха (3 – м/с).
3. По формуле рассчитывают сопротивление сети, причем за расчетную принимают наиболее протяженную магистраль.
4. По каталогам выбирают вентилятор и электродвигатель.
5. Если сопротивление сети оказалось слишком большим, размеры воздуховодов увеличивают и производят пересчет сети. Зная, какую производительность и полное давление должен развивать вентилятор, производят выбор вентилятора по его аэродинамической характеристике.
Такая характеристика вентилятора графически выражает связь между основными параметрами – производительностью, давлением, мощностью и КПД при определенных частотах вращения n (рад/с или об/мин).
При выборе типа и номера вентилятора необходимо руководствоваться тем, что вентилятор должен иметь наиболее высокий КПД, относительно небольшую скорость вращения (u = πDn/60), а также чтобы частота вращения колеса позволяла осуществить соединение с электродвигателем на одном валу.
Рис. 6 Эжектор
Принцип действия эжектора заключается в следующем. Воздух, нагнетаемый расположенным вне вентилируемого помещения компрессором или вентилятором высокого давления, подводится по трубе 1 к соплу 2 и, выходя из него с большой скоростью, создает за счет эжекции разрежение в камере 3, куда подсасывается воздух из помещения. В конфузоре 4 и горловине 5 происходит перемешивание эжектируемого (из помещения) и эжектруемого воздуха. Диффузор 6 служит для преобразования динамического давления в статическое. Недостатком эжектора является низкий КПД, не превышающий 0,25.
Механическая общеобменная вентиляция может быть приточной, вытяжной и приточно-вытяжной, с рециркуляцией и без рециркуляции. При этой системе вентиляции центробежные (рис. 5, а), осевые вентиляторы (рис. 5,6) или эжекторные установки (рис. 5, в), крышные вентиляторы (рис. 5, г, д) перемещают воздух по воздухопроводам с ответвлениями, имеющими насадки и заслонки для регулирования притока или удаления воздуха.
Вентиляторы применяют в приточных, вытяжных и приточно-вытяжных системах, эжекторные установки - в основном в вытяжных системах вентиляции.
Эжекторные установки используют в производственных помещениях, в которых вьщеляются взрывоопасные пары и газы и где установка вентилятора обычного типа, вызывающего при повреждении частей вентилятора искрение и взрыв, не допускается, например при удалении загрязнений из отделений для зарядки аккумуляторов, из окрасочных кабин при отсутствии гидроочистки.
Приведение в движение воздуха эжекцией заключается в том, что в трубу вставляют одно или несколько сопл, в них под давлением подают воздух из компрессора или вентилятора, пар или воду, которые увлекают за собой загрязненный воздух. КПД эжекторной установки будет зависеть от ее конструктивных особенностей.
Назначение приточных систем вентиляции - возмещать воздух, удаляемый местными отсосами и пневмотранспортом в цехах и отделениях (станочных, отделочных, сборочных, древесностружечных плит и др.) и расходуемый на технологические нужды.
При приточной общеобменной системе вентиляции (рис. 6, а) воздухоприемник для забора чистого воздуха, который подается в помещение вентилятором, устанавливают вне здания. Воздух забирают на высоте от земли не менее 2,5 м. Очищенный и подогретый до необходимой температуры воздух в помещении распределяется по системе каналов - воздуховодов.
Воздух подается в рабочую зону (в пространство от уровня пола до уровня дыхания 1,8...2 м) с возможно малыми скоростями. Нельзя подавать воздух через зоны, в которых он загрязнен.
Вытяжная общеобменная система вентиляции (рис. 6, б) характеризуется тем, что через сеть воздуховодов 13 и 12 загрязненный воздух удаляется вентилятором 11. Чистый воздух в этом случае подсасывается естественным путем через неплотности дверей, окон, фонарей, щели, поры строительных конструкций. Вытяжные отверстия воздуховодов располагают на различной высоте, которую устанавливают в зависимости от назначения помещений и плотности удаляемых загрязнений. Например, если удаляют загрязнения, которые тяжелее воздуха (пары фенола, бензина), приемники пара или газа располагают у пола, а если легче воздуха - у потолка. В соответствии с СН 245-71, СНиП П-33-75, ГОСТ 12.4.021-75 и пожарными нормами не разрешается объединять в одну общую вытяжную установку отсосы легкоконденсирующихся паров и газов, а также отсосы веществ, которые при смешении могут создавать ядовитую воспламеняющуюся или взрывоопасную механическую смесь или химические соединения. Например, не допускается совмещать отсосы от пневмотранспортных установок с отсосами от окрасочных и сушильных камер; от окрасочных кабин, когда в одной из кабин применяются нитроцеллюлозные, а в другой полиэфирные лаки. Запыленный или загрязненный ядовитыми парами или газами воздух перед выбрасыванием в атмосферу очищают и обезвреживают в специальных установках.
Приточно-вытяжная система вентиляции без рециркуляции (рис. 6, в) состоит из приточной и вытяжной системы, одновременно подающих чистый воздух и удаляющих загрязненный (предварительно очищенный) в атмосферу. Такая система вентиляции считается наилучшей при условии, когда воздух, удаляемый вытяжными общеобменными и местными системами вентиляции, будет компенсирован приточной системой вентиляции.
Приточно-вытяжная система вентиляции в сообщающихся помещениях должна быть устроена таким образом, чтобы исключалась возможность поступления воздуха из помещений с большим выделением вредностей или с наличием взрывоопасных газов, паров и пыли в помещениях, где этих вредностей меньше или нет.
Вентиляция с рециркуляцией (рис. 6,г) представляет собой замкнутую приточно-вытяжную вентиляцию. Воздух, отсасываемый вытяжной системой, вторично подается в помещение с помощью приточной вентиляции. Рециркулируемый воздух частично пополняется свежим. Не допускается применять рециркуляцию в помещениях с токсическими пожаро- и взрывоопасными загрязнениями воздуха.
Во всех системах вентиляции воздухозаборное устройство устанавливают с учетом розы ветров (с наветренной стороны к выбрасываемым шахтам), но не ближе 10...20 м от выбрасывающих отверстий. Труба, через которую использованный воздух выпускают в атмосферу, должна быть расположена не менее чем на 1 м выше конька крыши.