Прогнозирование работы систем вентиляции жилых многоквартирных зданий с децентрализованным механическим удалением воздуха

Введение

Системы вентиляции зданий, в вытяжных каналах которых устанавливаются индивидуальные вентиляторы, принято называть системами вентиляции с децентрализованным механическим удалением воздуха [1] (по терминологии АВОК - системы механической вытяжной вентиляции с индивидуальными вентиляторами [2]).

Аэродинамический расчет подобных систем, как правило, заключается в подборе вентиляторов по требуемому расходу воздуха и потерям давления в сети [2]. При этом все вентиляторы принимаются с одинаковыми характеристиками, а сопротивление приточных устройств (если оно учитываются) – считается постоянным во времени.

Однако на практике режим работы подобных систем вентиляции существенно отличается от проектного. В частности, включение и выключение индивидуальных вентиляторов осуществляется по потребностям отдельных пользователей, характеристики вентиляторов различных квартир могут существенно отличаться от проектных, сопротивление на притоке изменяется при регулировании (открытии-закрытии) приточных устройств, не говоря уже об открытии форточек или створок окон. Как следствие – несоответствие фактических расходов на отдельных участках сети проектным значениям, перетекание воздуха между квартирами различных этажей, ухудшение работы системы вентиляции в целом.

Цель данной статьи – рассмотрение задачи расчета систем вентиляции с децентрализованным удалением воздуха, анализ ряда закономерностей распределения расходов воздуха в сети вентканалов при различных режимах работы индивидуальных вентиляторов и изменения характеристик отдельных элементов системы на стадии эксплуатации.

 

Физическая и математическая модели системы вентиляции

В общем случае постановка задачи может быть сформулирована следующим образом. Система вентиляции жилого многоквартирного здания включает сеть вытяжных вентиляционных каналов, в которые встроены индивидуальные вентиляторы с известными характеристиками, приточные вентиляционные устройства, предназначенные для регулируемого притока воздуха, ограждающие конструкции (окна, двери, наружные и внутренние стены) с определенной  воздухопроницаемостью.

Воздухообмен помещений осуществляется в результате притока воздуха через приточные клапаны и неплотности ограждающих конструкций, удаление воздуха – через вытяжные вентиляционные каналы. Перетекание воздуха между отдельными помещениями (квартирами) является частным случаем и определяется конструктивным решением вентиляционных каналов, характеристиками применяемых вентиляторов, воздухопроницаемостью ограждающих конструкций (стены, окна, входные двери и т.п.).

Принципиальная схема систем вентиляции, характеризующая общую постановку задачи, представлена на рис. 1. 

Рис.1. Принципиальная схема системы вентиляции жилых зданий с децентрализованным механическим удалением воздуха посредством индивидуальных вытяжных вентиляторов: 1 – приточное вентиляционное устройство; 2 - вытяжная вентиляционная решетка; 3 - обратный клапан; 4 – вытяжной вентилятор; 5 – вертикальный вентиляционный канал; 6 – сборный вентиляционный канал; 7 – канал-спутник; 8 – горизонтальный вентиляционный канал (воздуховод)

Сложность задачи заключается в необходимости учета возможного изменения отдельных параметров сети в процессе эксплуатации, как внешних, например, температуры наружного воздуха, скорости и направления ветра, так и внутренних – закрытия (открытия) приточных клапанов, створок оконных блоков, включения или выключения отдельных вытяжных вентиляторов с учетом изменения их эксплуатационных характеристик.

В качестве допущений принято, что сеть воздуховодов герметична, температуры воздуха внутри здания и снаружи постоянны, аэродинамическое сопротивление ограждающих конструкций внутри квартиры (межкомнатные перегородки, двери) равно нулю.     

Решение задачи рассмотрено на основе теории гидравлических цепей с учетом  известных подходов [3,4].

Отдельные помещения рассматриваются в виде узлов (блоков), соединенных между собой связями, характеризующими сопротивление ограждающих конструкций,  вентиляционных каналов, приточных или вытяжных решеток, клапанов и др. элементов системы вентиляции. К узлам, под воздействием перепада давлений, подходит и уходит определенное количество воздуха. При этом воздушный баланс каждого из узлов остается нулевым (количество поступившего воздуха равно ушедшему).

Узлами сети в данном случае являются отдельные квартиры, а также точки слияния и деления потоков воздушной среды. Окружающая среда принимается в качестве мнимого узла.

Движение воздуха по рассматриваемой сети описывается уравнениями вида [5, 6]

Р_k – Р_m  = s_i × G^β,   (1) 

где Р_k , Р_m – давление в отдельных помещениях (узлах), Па; G_i – расход воздуха по i-му участку сети между узлами k и m, кг/ч; s_i – характеристика сопротивления i-ого участка сети, Па×(ч/кг)^b; b – показатель фильтрации.

Если конструкция непосредственно граничит с наружным воздухом, то в уравнении (1) фигурирует давление наружного воздуха на уровне данной конструкции Р_ext,i и давление в рассчитываемом помещении Р_m,i

Р_ext,i – Р_m  = s_i × G_i^β.   (2)

Для участков сети, включающих вентилятор

Р_k – Р_m  +  P_вент = s_i × G_i^β,   (3) 

где P_вент – давление (напор), создаваемый вентилятором, Па, определяемый по результатам испытаний.

Число уравнений типа (1) – (3) определяется по расчетной схеме системы вентиляции здания и равно общему количеству связей, сходящихся в узлах [3, 4].

Характеристики сопротивлений вентиляционных каналов, решеток, приточных клапанов, окон, дверей и др. элементов принимаются по справочным данным или результатам испытаний [1, 7–9].

Для аппроксимации зависимостей «давление – расход воздуха» приточных или вытяжных устройств, окон и др. предложены формулы на основе известного алгебраического многочлена [3]

             

              (4)

Для вентиляторов выражение (4) предложено записывать в виде

   

(5)          

где s₀ – нулевой коэффициент, соответствующий давлению вентилятора при нулевом расходе.

Следует отметить, что характеристики вентиляторов, установленных в одной сети, могут существенно отличаться друг от друга, особенно заметно отличие в характеристиках бытовых вентиляторов и кухонных вытяжек.

В качестве примера на рис. 2 приведены результаты испытаний индивидуальных вентиляторов и кухонных вытяжек некоторых производителей, а также результаты испытаний некоторых приточных клапанов).

Математическая модель воздушного режима  здания, в конечном счете, сводится к системе нелинейных уравнений, составленных по пространственной расчетной схеме системы вентиляции.

Решение задачи

Составление системы уравнений осуществляется на основе графа системы вентиляции с указанием ветвей, узлов, расположения источников давления (вентиляторов) и предварительным заданием направления движения воздуха.

После создания графа геометрические свойства схемы соединений графа выражаются в виде системы уравнений, связывающих матрицы: инциденций (А), циклов (B), расходов (G), сопротивлений (S), источников давления (P) [3,4]:

А · G= 0;                (6)

B · s = B · P .

Матрица инциденций A представляет собой связь ребер (участков) и вершин (узлов) графа:

       

Матрица циклов B представляет собой связь ребер (участков) и циклов графа:

       

 

Матрицы расходов G и действующих давлений P имеют одностолбцовый вид:

       

Матрица сопротивлений s имеет диагональный вид и выглядит следующим образом:

        

В качестве примера на рис.3 приведена схема простейшей системы вентиляции, квартиры, расположенной на верхнем этаже многоэтажного здания и её расчетный граф. Приток воздуха осуществляется через два приточных клапана, расположенных в противоположных стенах квартиры, удаление воздуха через два вытяжных канала, расположенных в кухне и санузле, оснащенных индивидуальными вентиляторами.

Система уравнений на основе графа, приведенного на рис. 3,  будет иметь вид:

G₁ + G ₂ – G ₃ – G ₄ = 0                                                                                                                             

∑(s_1,i· G _1,i ⁱ) + ∑(s_3,i· G _3,i ⁱ) = P₃;                                                                                                                

∑(s_2,i· G _2,i ⁱ) + ∑(s_4,i· G _4,i ⁱ) = P₄;     (4)

∑(s_1,i· G _1,i ⁱ) + ∑(s_4,i· G _4,i ⁱ) = P₄;                                                                                                                

∑(s_2,i· G _2,i ⁱ) + ∑(s_3,i· G _3,i ⁱ) = P₃                                                                                                                 

Результаты расчета системы вентиляции, представленной на рис. 3, приведены для некоторых частных случаев в таблице 1.

     

 Таблица 1

Результаты расчета системы вентиляции двухкомнатной квартиры верхнего этажа
многоэтажного жилого дома* 

Температура наружного воздуха, оС	Расход воздуха через  вытяжные каналы,  м3/ч		Расход воздуха через  приточные клапаны,  м3/ч		Примечания
	В-1	В-2	ПК-1	ПК-2
Приточные клапаны*** закрыты , вентиляторы **** В-1, В-2  выключены
+5	–1,6	–1,6	1,6	1,6	Требуемый воздухообмен** не обеспечен
-10	–2,6	–2,6	2,6	2,6
-20	–3,2	–3,2	3,2	3,2
Приточные клапаны открыты , вентиляторы В-1, В-2  выключены
+5	–15,3	–15,3	+15,3	+15,3	Требуемый воздухообмен** не обеспечен
-10	–22,7	–22,7	+22,7	+22,7
-20	–26,9	–26,9	+26,9	+26,9
Приточные клапаны открыты, вентиляторы В-1, В-2 включены
+5	–56,5	–56,5	+56,5	+56,5	Требуемый воздухообмен обеспечен
-10	–58,4	–58,4	+58,4	+58,4
-20	–59,9	–59,9	+59,9	+59,9
Приточные клапаны открыты, вентилятор В-1 включен, вентилятор В-2 выключен
+5	–220,4	+162,6	+28,9	+28,9	Вытяжной канал В-2 работает на приток
-10	–221,5	+156,0	+32,8	+32,8
-20	–222,2	+151,6	+35,3	+35,3
Приточные клапаны открыты, вентилятор  В-1 включен, к каналу В-2 подключена кухонная вытяжка
+5	+83,2	–230,9	+73,9	+73,9	Вытяжной канал В-2 работает на приток
-10	+82,2	–232,3	+75,9	+75,9
-20	+81,5	–233,3	+75,9	+75,9

  
 * Схематичный план квартиры приведен на рис. 3.

Алгоритм реализации изложенного подхода применительно к системам вентиляции жилых многоквартирных зданий с учетом ветровых и тепловых перепадов давлений, переменных характеристик сопротивлений отдельных элементов приведен на рис.4.

Рис. 4. Алгоритм расчета систем вентиляции с децентрализованным механическим удалением воздуха

Решение системы уравнений получено методом обобщенного приведенного градиента с использованием программы Microsoft office Exсel. Критериями решения являются допустимые невязки расходов воздуха, подходящих и уходящих от узлов и Критерии сходимости: расходы воздуха, подходящие и уходящие от узлов (допустимая невязка – 0,1 м³/ч) и давления, создаваемые и теряемые в каждом независимом контуре графа (допустимая невязка – 0,1 Па).

Результаты расчетов показывают, что воздухообмен квартиры существенно зависит от характеристик применяемых вентиляторов и приточных устройств; выключение одного из вентиляторов приводит к опрокидыванию направления движения воздуха. Если к одному из каналов подключена кухонная вытяжка (см. рис. 2), то опрокидывание второго канала может происходить и при включенном осевом вентиляторе.

Более сложным является расчет систем вентиляции многоэтажных жилых зданий,  который требует решения десятков уравнений, учета изменения коэффициентов местных сопротивлений тройников, учета возможных различий в характеристиках вентиляторов и др.

В качестве примера на рис. 5 приведена расчетная схема и граф системы вентиляции квартир с двумя вытяжными каналами и приточными клапанами 10-тиэтажного жилого дома.

Рис.5. Расчетная схема и граф системы вентиляции десятиэтажного жилого дома с децентрализованным механическим удалением воздуха 

Анализ результатов расчетов, выполненных для ряда многоэтажных зданий с различными вариантами компоновки вытяжных вентиляционных каналов при варьировании режимов работы индивидуальных вентиляторов и изменении характеристик отдельных элементов системы на стадии эксплуатации, позволил отметить некоторые закономерности и сделать ряд выводов. В частности:

- системы вентиляции с естественным побуждением движения воздуха не обеспечивают требуемого воздухообмена в квартирах многоэтажных зданий с приточными вентиляционными устройствами; одна из основных причин – достаточно большое аэродинамическое сопротивление приточных устройств;

- установка вентиляторов в вытяжных каналах увеличивает воздухообмен, однако не все индивидуальные вентиляторы позволяют добиться требуемого воздухообмена; необходима увязка характеристик вентиляторов с потерями давления в вытяжных вентиляционных каналах;

- изменение проектного режима работы системы вентиляции, в частности выключение или изменение характеристик отдельных вентиляторов (например, подключение к вентканалам кухонных вытяжек) может кардинально изменить режим работы системы вентиляции как непосредственно в отдельной квартире, так и других квартирах, подключенных через каналы-спутники к одному сборному каналу; например, выключение одного из вентиляторов (см. рис.6 в), может привести к «опрокидыванию» направления движения воздуха в этом канале и поступлению в квартиру грязного воздуха из сборного канала;

- при подключении к вытяжным каналам кухонных вытяжек, возможно перетекание воздуха в квартиры других этажей вследствие создания подпора в сборном канале (см. рис.6 г); при этом второй вентиляционный канал данной квартиры (например, расположенный в санузле) может быть «опрокинут» даже при работающем вентиляторе (см. рис. 6 д);

- открытие створки окна в подобных системах приводит к резкому (в разы) увеличению воздухообмена данной квартиры и снижению расхода удаляемого воздуха из других квартир.

Рис. 6. Результаты расчета системы вентиляции  жилого дома с децентрализованным механическим удалением воздуха: а – вентиляторы выключены, приточные клапаны открыты; б - вентиляторы включены, приточные клапаны открыты; в - на 5-м этаже выключен вентилятор В-1, все остальные вентиляторы включены, приточные клапаны открыты; г - вентиляторы на всех этажах включены, приточные клапаны открыты, на 5-м этаже открыто окно; д - вентиляторы на всех этажах включены, приточные клапаны открыты, на первом этаже к каналу В-1 подключена  кухонная вытяжка;  е - вентиляторы на всех этажах выключены, на первом этаже к каналу В-1 подключена  кухонная вытяжка

Библиографический список

1. СТО СРО НП СПАС-05-2013. Энергосбережение в зданиях. Расчет и проектирование систем вентиляции жилых многоквартирных зданий. – Омск, 2014. – 76 с.

2. Р НП «АВОК» 5.2-2012. Технические рекомендации по организации воздухообмена в квартирах жилых зданий. – М, 2012. – 46 с.

3. Меренков А.П., Хасилев В.Я. Теория гидравлических цепей. – М.: Наука, 1985. – 294 с.

4. Гинзбург Э.Я. Расчет отопительно-вентиляционных систем с помощью ЭВМ. – М., Стройиздат, 1979. – 182 с.

5. Китайцева Е.Х. Обобщенные методы расчета воздушного режима здания и факторов, влияющих на качество внутреннего воздуха : автореф. дис... канд. техн. наук : 05.23.03 / Е.Х. Китайцева ; научн. рук. проф. В. Н. Богословский ; МГСУ. – Москва, 1995. – 18 с.

6. Бирюков С. В. Разработка метода определения нормы потребления тепловой энергии системами отопления и вентиляции общественных зданий (на примере учебных корпусов ВУЗов):  дис... канд. техн. наук : 05.23.03 / С. В. Бирюков ; научн. рук. доц. Е. Г. Малявина ; МГСУ. – Москва, 2002. – 198 с.

7. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / под ред. М.О. Штейнберга. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1992. – 672 с.

8. Справочник по теплоснабжению и вентиляции. В 2 т. Т. 2. Вентиляция и кондиционирование воздуха / Р. В. Щекин [и др.]. – Киев : Будивельник, 1976. – 352 с.

9. Справочник проектировщика. Внутренние санитарно-технические устройства. В 2 ч. Ч. 2. Вентиляция и кондиционирование воздуха / Под ред. И. Г. Староверова. – 2-е изд. перераб. и доп. – М. : Стройиздат, 1977. – 502 с. 

  

Pdf версия статьи, вышедшая в журнале Вестник СибАДИ

М.А. Кривошеин, к.т.н., директор ООО "ТЕХВЕНТ"