Исследование скорости потока воздуха в системах естественной вентиляции жилого здания в зимних условиях

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

УДК 697.12

В. И. Скрябин, Е. Г. Старостин

ИССЛЕДОВАНИЕ СКОРОСТИ ПОТОКА ВОЗДУХА В СИСТЕМАХ ЕСТЕСТВЕННОЙ ВЕНТИЛЯЦИИ ЖИЛОГО ЗДАНИЯ В ЗИМНИХ УСЛОВИЯХ

Приведены результаты измерения скорости потока воздуха в вентиляционном канале жилого здания при изменяющейся температуре наружного воздуха. Количество приточного воздуха прямо пропорционально скорости потока воздуха в вентиляционном канале. Поэтому полученные данные можно использовать для оценки динамики расхода тепловой энергии в зависимости от температуры наружного воздуха. Проанализированы условия, при которых происходит сверхнормативное увеличение воздухообмена здания. Это приводит к ощутимому перерасходу тепловой энергии на отопление здания.

Ключевые слова: жилое здание, воздухообмен, система вентиляции, вентиляционный канал, скорость потока воздуха, температура, натурные измерения, тепловая энергия, отопление, энергоэффективность.

V. I. Skryabin, E. G. Starostin

Investigation of air velocity in natural ventilation system of building in winter conditions

There are presented the results of the air velocity measurement in air drain of apartment buildings at changing outdoor temperature. The access air amount is directly proportional to air velocity in the air drain. So it is possible to use the results of the measurement for estimation of the thermal energy consumption depending on outdoor temperature. There were analyzed conditions of increasing of air interchange of a building above standard. It leads to notable excess expenditure of the thermal energy on heating of building.

Key words: building, air interchange, ventilating system, air drain, air velocity, temperature, in-situ measurement, thermal energy, heating, energy performance.

Создание системы нормативных документов для проектирования зданий со сниженным потреблением энергии нового поколения увенчалось принятием СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» [1] и свода правил СП 23-101-2004 [2]. Согласно этим документам, теплозащитные свойства ограждающих конструкций зданий значительно повысились. В свете этого дальнейшее снижение расхода тепловой энергии

СКРЯБИН Владимир Иннокентьевич - доцент кафедры теплофизики и теплоэнергетики Физико-технического института СВФУ им. М. К. Аммосова.

E-mail: skrvlad @mail.ru

СТАРОСТИН Егор Гаврильевич - д. т. н., в. н. с. отдела тепломассообменных процессов Института физикотехнических проблем Севера им. В. П. Ларионова СО РАН.

E-mail: e.g.starostin@iptpn.ysn.ru

на отопление жилых и общественных зданий возможно за счет применения более энергоэффективных систем воздухообмена [3]. Возможными путями повышения энергоэффективности зданий в этом направлении являются разработка и внедрение режима регулирования воздухообмена по потребности и рекуперации теплоты вытяжного воздуха.

Расход тепловой энергии на отопление зданий в значительной степени определяется расходом энергии на нагрев наружного воздуха, поступающего в помещения. В регионах с экстремально холодным климатом это проявляется более ощутимо. Натурные исследования жилых и общественных зданий Якутска и Нерюнгри показали, что доля тепловой энергии, идущей на нагрев инфильтрующегося воздуха, достигает 30-40 % от общего расхода энергии на отопление [4 - 6]. В зданиях новой застройки с повышенными

теплозащитными свойствами ограждающих конструкций доля тепловой энергии, идущей на нагрев ин-фильтрующегося воздуха, значительно увеличивается.

Несмотря на такое положение дел, исследований, посвященных разработке научных и инженерных основ энергоэффективности систем вентиляции зданий, явно недостаточно. Более того, ни на стадии проектирования, ни на стадии строительства зданий вопросам обеспечения санитарных норм воздухообмена не уделяется должного внимания. Системы вентиляции с естественной вытяжкой по своей сути не обеспечивают постоянного требуемого санитарными нормами уровня воздухообмена при изменяющейся температуре наружного воздуха. В условиях экстремальных климатических амплитуд температуры, которые наблюдаются в Республике Саха (Якутия), эта проблема проявляется наиболее остро. Поэтому исследования систем вентиляции важны и в этом аспекте.

Исходя из этого, была поставлена задача оценить изменение уровня воздухообмена и тепловых потерь зданий с естественной вентиляцией в зависимости от динамики наружной температуры. С этой целью проведены натурные измерения скорости воздушного потока в вентиляционном канале жилого здания. Считая, что количество приточного воздуха прямо пропорционально скорости потока воздуха в вентиляционном канале, полученные данные можно использовать для оценки динамики расхода тепловой энергии в зависимости от наружной температуры.

Наши измерения проводились в квартире на первом этаже пятиэтажного жилого здания с середины января до конца марта. Здание построено по индивидуальному повторно-применяемому проекту жилых домов института «Агропромпроект». Наружная стена из керамзитобетонных полнотелых блоков на цементнопесчаном растворе М50 выполнена толщиной 800 мм. Цокольное перекрытие имеет теплоизоляцию толщиной 630 мм из газобетона плотностью 500 кг/м3. Теплоизоляция покрытия из такого же материала имеет толщину 270 мм.

В период измерений температура наружного воздуха изменялась в пределах от -10 до -50 оС. Температура воздуха на входе в вентиляционный канал, где проводились измерения, колебалась в пределах от 23 до 27 оС.

Измерения проведены цифровым термоанемометром ТеБ1о 425, который позволяет измерять скорость потока воздуха и температуру. Область измерения скорости потока воздуха составляет от 0 до 20 м/с, температуры

- от -20 до +70 оС. Погрешность измерения скорости потока воздуха ±10 %, температуры - 0,5 оС.

Результаты измерения приведены на рис. 1 в виде зависимости скорости потока воздуха в вытяжном вентиляционном канале от разности температур внутреннего и наружного воздуха. Видно, что скорость

потока воздуха в вентиляционном канале ощутимо зависит от температуры наружного воздуха. При понижении температуры наружного воздуха с -10 до -50 оС скорость воздуха увеличивается почти в полтора раза. Это означает, что настолько же увеличивается количество поступающего в помещение наружного воздуха.

При проектировании тепловой защиты зданий и оценке их энергетической эффективности расчеты проводятся исходя из средней температуры за отопительный период [1, 2]. Такой подход

основывается на предположении, что между тепловыми потерями здания и разностью между внутренней и наружной температурами существует линейная пропорциональность. Распределение расхода тепловой энергии и топлива для отопления зданий по месяцам отопительного периода при нормировании проводится также исходя из такого допущения.

В то же время анализ температурной зависимости расхода тепловой энергии на нагревание инфильтрирующегося воздуха с учетом воздухопроницаемости конструкций и движущей силы воздухообмена здания - гравитационно-ветрового давления показывает, что зависимость между тепловыми потерями здания и перепадом температуры внутреннего и наружного воздуха имеет более сложный вид [7].

Суммарный расход инфильтрирующегося воздуха через отдельные ограждающие конструкции помещения определяется по формуле [8 - 10]

X Gi-'LisRл +ХДр“+г“,

где обозначения с индексом относятся к окнам, балконным дверям и фонарям; с индексом 2 - к дверям, воротам и открытым проемам; с индексом 3 - к стыкам стеновых панелей; A - площадь ограждения, м2; /3- длина стыков панелей, м; Я,- сопротивление воздухопроницанию соответствующего ограждения, м2чПап/кг для Я1 и Я2 или м ч Па/кг для Я3 ; Др - перепад давления на поверхности соответствующих ограждений, Па.

Показатель степени п , равный 1, 1/2 или 2/3, характеризует различные аэродинамические режимы фильтрации воздуха, соответственно ламинарный, турбулентный и смешанный.

Разность давления Др , входящая в формулу (1), является функцией плотности наружного воздуха, которая, в свою очередь, зависит от его температуры.

Учет гравитационной и ветровой составляющей позволяет для разности давления написать формулу вида [2, 9, 10]

Др = 0,5 5

где Н - высота здания, м; И - расчетная высота, м; Ра^и ртХ - плотность соответственно наружного и внутреннего воздуха, кг/м3; V - скорость ветра, м/с.

В нормативных документах для проектирования зданий зависимость плотности воздуха от температуры определяется по эмпирической формуле [1, 2, 9]

Р( )='

353

273 + г

где I - температура воздуха, оС.

Формулы (1) - (3) позволяют описать зависимость суммарного расхода инфильтрирующегося воздуха от температуры наружного воздуха. Исходя из этого на рис. 1, наряду с экспериментальными результатами приведена кривая, описываемая функцией вида (1) с учетом формул (2) и (3).

Таким образом, в помещениях, оборудованных естественной вытяжной вентиляцией, суммарный расход инфильтрирующегося воздуха зависит от температуры наружного воздуха, и нормативный воздухообмен 3 м3/ч на 1 м2 устанавливается только при определенной температуре наружного воздуха.

Понижение температуры наружного воздуха ниже этого значения вызывает сверхнормативное увеличение воздухообмена здания. Это приводит к перерасходу тепловой энергии на отопление здания. Как было отмечено выше, доля тепловой энергии, идущей на нагрев инфильтрующегося воздуха, достигает 30-40% от общего расхода энергии на отопление. С учетом этого перерасход тепловой энергии, связанный с сверхнормативным увеличением воздухообмена, при минимальных наружных температурах может достигать 10-15% общего расхода энергии на отопление.

Допустим, что нормативный воздухообмен достигается при температуре наружного воздуха, равной средней температуре за отопительный период. Тогда при температуре наружного воздуха ниже средней температуры за отопительный период расходы на отопление зданий увеличиваются по сравнению с нормативными значениями [7]. Расход тепловой энергии на нагревание инфильтрирующегося воздуха при таких температурах наружного воздуха резко возрастает (рис. 2).

С другой стороны, повышение наружной температуры сопровождается уменьшением воздухообмена ниже норматива 3 м3/ч на 1 м2. Это означает, что не выполняется санитарная норма воздухообмена здания и ухудшаются условия нахождения человека в здании. Этому способствует и установка стеклопакетов без регулируемых приточных устройств как в строящихся, так и в эксплуатируемых зданиях.

Указанные недостатки вентиляции зданий с естественной вытяжкой особенно остро проявляются в экстремальных климатических условиях Крайнего Севера. Поэтому исследования динамики воздухообмена зданий необходимы для нормирования и оптимизации подачи тепловой энергии при изменяющейся наружной температуре, выбора оптимальной воздухопроницаемости ограждающих конструкций, разработки систем регулируемого воздухообмена зданий. Такие исследования необходимо провести с учетом различных факторов, влияющих на воздухообмен здания.

Определение удельного потребления тепловой

V. м/с

1*«, - 1«х,. °С месяцы

Рис. 1. Зависимость скорости воздуха в вентиляционном канале от разности температуры внутреннего и наружного воздуха. Маркерами показаны результаты натурных измерений, сплошной линией - результаты расчета

Рис. 2. Распределение расхода тепловой энергии для отопления здания по месяцам отопительного периода. о - расчет при нормируемой кратности воздухообмена здания; Д - расчет с учетом сверхнормативного воздухообмена здания

энергии на отопление зданий и его помещений позволяет выявить количественное соответствие или отклонение от нормируемых энергетических и теплотехнических параметров тепловой защиты, установить класс энергетической эффективности здания и определить влияние отдельных мероприятий по энергосбережению в здании. Такие расчеты также должны сопровождаться исследованиями зависимости воздухообмена зданий от наружной температуры.

Проведенные натурные измерения скорости потока воздуха в вытяжном канале жилого здания с естественной вентиляцией при изменяющейся температуре наружного воздуха показали:

1. Скорость потока воздуха в вентиляционном канале значительно зависит от температуры наружного воздуха. При понижении температуры наружного воздуха с -10 до -50 оС скорость воздуха увеличивается почти в полтора раза. Эти данные позволяют оценить динамику расхода тепловой энергии в зависимости от температуры наружного воздуха.

2. Нормативный воздухообмен 3 м3/ч на 1 м2 устанавливается только при определенной температуре наружного воздуха. Понижение температуры наружного воздуха ниже этого значения вызывает сверхнормативное увеличение воздухообмена здания, т. е. приводит к перерасходу тепловой энергии на отопление здания. Повышение же наружной температуры сопровождается ухудшением условия нахождения человека в здании вследствие уменьшения воздухообмена ниже санитарного норматива.

Л и т е р а т у р а

1. СНиП 23-02-2003. Тепловая защита зданий: утв. Госстроем России 26.06.2003 : взамен СНиП 11-3-79 : дата введ. 01.10.2003. - М.: Госстрой России, ФГУП ЦПП, 2004. - 40 с.

2. СП 23-101-2004. Проектирование тепловой защиты зданий: утв. ОАО «ЦНИИпромзданий» и ФГУП ЦНС 23.04.2004 : взамен СП 23-101-2000 : дата введ. 01.06.2004. - М. [б.и.], 2004. - 144 с.

3. Матросов Ю. А. Новые нормы теплозащиты зданий // Жилищное строительство, № 6, 2004. - С. 7-12.

4. Матвеева О. И., Старостин Е. Г., Степанов А. В. Тимофеев А. М. Теплопотери типовых зданий г. Якутска // Ресурсы строительного комплекса Республики Саха (Якутия). -Якутск, ЯГИТИ, 2001. - С. 206-209.

5. Степанов А. В., Т имо феев А. М., Старостин Е. Г. Малышев А. В., Большев К. Н., Неустроев Н. Р. Натурные исследования зданий в г. Якутске // Современные проблемы теплофизики в условиях Крайнего Севера. Материалы VI научно-технической конференции, посвященной памяти профессора, доктора технических наук Н. С. Иванова. - Якутск: Изд-во ЯГУ, 2004.

- С. 122-128.

6. Малышев А. В., Скрябин В. И., Старостин Е. Г.

Микроклимат и расход тепловой энергии на отопление зданий с повышенным износом в г. Нерюнгри // Южная Якутия -новый этап индустриального развития: Материалы

Международной научно-практической конференции. Т. 2. -Нерюнгри: Изд-во Технического института, 2007. - С. 220-224.

7. Старостин Е. Г. Расход теплоты на нагревание инфильтрующегося воздуха // Труды Международной конференции Физико-технические проблемы Севера, часть I.

- Якутск, 2000. - С. 324-330.

8. СНиП 41-01-2003. Отопление, вентиляция и кондиционирование: утв. Госстроем России 26.06.2003 : взамен СНиП 2.04.05-91 : дата введ. 01.01.2004. - М.: Госстрой России, ФГУП ЦПП, 2004. - 88 с.

9. Сканави А. Н., Махов Л. М. Отопление. - М.: АСВ, 2002.

- 576 с.

10. Малявина Е. Г. Теплопотери здания: справочное пособие. - М.: АВОК-ПРЕСС, 2007. - 144 с.