Некоммерческое
партнерство
инженеров
Инженеры по отоплению, вентиляции, кондиционированию воздуха, теплоснабжению и строительной теплофизике
(495) 984-99-72 НП "АВОК"

(495) 621-80-48 Секретарь (тел./факс) ООО ИИП "АВОК-ПРЕСС"
(495) 107-91-50

АВОК ассоциированный
член

Воздушный режим зданий с проемами в наружных ограждениях, оборудованных воздушными завесами

Воздушные и воздушно-тепловые завесы, применяемые в промышленных и общественных зданиях, представляют собой устройства локализующей вентиляции, позволяющие сократить перетекание воздушных потоков через проемы в ограждениях зданий и технологическом оборудовании за счет «шиберующего» действия воздушных струй, подаваемых в область открытого проема. Эффект «шибера» состоит в увеличении сопротивления проема проходящему потоку воздуха, что соответствует уменьшению коэффициента расхода проема.

Основной исходной величиной для расчета или подбора воздушных (ВЗ) и воздушно-тепловых завес (ВТЗ) является разность давлений воздуха по обе стороны проема, защищаемого завесой:

DP = Pн – Pвн .

Разность давлений воздуха вызвана тремя факторами:

– разностью удельных весов воздуха с двух сторон проема;

– давлением на ограждения здания при его обтекании ветровым потоком;

– дисбалансом систем приточной и вытяжной вентиляции.

Величина разности давлений воздуха кроме указанных факторов зависит от герметичности ограждающих конструкций, наличия или отсутствия в них других открытых проемов, щелей, неплотностей и т. п. и определяется в результате расчета воздушного режима здания.

Расчет воздушного режима здания состоит в определении разности давлений снаружи и внутри здания, вызывающей потоки воздуха через ограждения: открытые проемы, щели, неплотности и т. п., и расхода воздуха в этих потоках. Величина расхода воздуха рассчитывается по известным формулам:

Величина расхода воздуха (1)

или

Величина расхода воздуха (2)

Формула (1) описывает турбулентный режим течения, наблюдаемый в открытых проемах, отверстиях, щелях и т. п.; формула (2) – смешанный режим течения, характерный для неплотностей в закрытых светопрозрачных ограждениях.

Известно несколько способов расчета разности давления воздуха DPi [1–5]. Наиболее удобным и универсальным следует считать метод «условного 0», предложенный В. П. Титовым [4]. Этот метод устанавливает постоянный уровень отсчета давлений и позволяет иметь эпюры давлений «стандартной формы» практически для любых граничных условий при расчете воздушного режима зданий. Обычно уровень «условного 0» назначается в центре или вверху наиболее высоко (от уровня пола) расположенного отверстия на заветренной стороне здания. Ось абсцисс направлена вниз.

Эпюры давлений при совместном действии гравитационных сил и ветра

Рисунок 1 (подробнее)

Эпюры давлений при совместном действии гравитационных сил и ветра

На рис. 1 представлены эпюры давлений при совмест-ном действии гравитационных сил и ветра при неизменяемых по высоте значениях температуры воздуха и скорости ветра, полученные сложением эпюр при их раздельном действии. В общем случае расчетное давление снаружи здания для каждого отверстия, относительно внутреннего избыточного, определяется по формуле:

расчетное давление снаружи здания (3)

Давление внутри здания P0 постоянно. Разность давлений снаружи и внутри здания DP = Pн – P0. Несбалансированная механическая вентиляция не влияет на форму эпюр давления.

Значение внутреннего избыточного давления P0 определяется из уравнения воздушного баланса здания:

уравнение воздушного баланса здания (4)

Решение уравнения (4) относительно значения внутреннего давления P0 для зданий с большим числом отверстий, как правило, проводится на ПК.

Обычно заранее не известно, через какие отверстия происходит приток воздуха, Pн > P0, а через какие – вытяжка, Pн < P0. Чтобы избежать затруднений при проведении расчетов, формулу (1) удобно записывать в следующей форме:

(5)

Расчет воздушного режима зданий с открывающимися воротами и дверями, защищаемыми ВЗ или ВТЗ, имеет ряд особенностей. У любого вертикального отверстия разность гравитационного давления снаружи и внутри здания изменяется по высоте. Часто таким изменением можно пренебречь, рассчитывая расход воздуха по разности давлений в центре отверстий. В ряде случаев изменение гравитационного давления по высоте отверстия необходимо учитывать. К таким отверстиям, получившим название «высоких отверстий», чаще всего относятся проемы ворот и дверей, высокое остекление стен и др. Иногда часть «высокого отверстия» работает на приток, а часть – на вытяжку [2, 4, 5].

В современных общественных зданиях с малой воздухопроницаемостью ограждений расходы воздуха через переплеты остекления существенно (не менее чем на порядок) меньше, чем через проемы ворот и дверей, и их можно не учитывать. В производственных зданиях с естественной вентиляцией влияние открытых проемов, щелей, технологических отверстий существенно, и их следует учитывать при расчете воздушного режима. Рассмотрим естественный воздухообмен при совместном действии гравитационного и ветрового давления в здании с воротами и дверями, расположенными на наветренной и заветренной сторонах. Будем полагать, что суммарная площадь неплотностей в ограждениях здания, находящихся выше ворот А1, и расположена на заветренной стороне.

Уровень «условного 0» поместим на уровне центра неплотностей А1.

Воздушные потоки в здании с «высокими» отверстиями

Рисунок 2 (подробнее)

Воздушные потоки в здании с «высокими» отверстиями

Будем полагать, что других открытых проемов и неплотностей в здании нет, а температура воздуха внутри здания, скорость ветра снаружи здания и коэффициент расхода воздуха через проемы ворот и дверей не изменяются по высоте (рис. 2). Эпюра давлений снаружи здания имеет форму прямоугольной трапеции с основанием:

Pн = gDrhвор + DCPW .

Эпюра давлений внутри здания имеет форму прямоугольника с горизонтальной стороной P0, причем:

P0 < gDrhвор + DCPW .

В общем случае разность давлений (Pн – P0) будет положительна для нижней части проемов, H > h0 и H > h’0, и отрицательна для верхней части отверстия, H – hвор < h0 и H – hдв < h’0. В проемах ворот и дверей будет иметь место приток воздуха в нижней их части и вытяжка – в верхней. Расход воздуха через элементарную площадку i-го «высокого отверстия» высотой dh составит:

Расход воздуха через элементарную площадку i-го «высокого отверстия» высотой dh (6)

Расход приточного воздуха, соответственно:

Расход приточного воздуха (7)

а вытяжного:

Расход вытяжного воздуха (8)

Уравнение воздушного баланса/расхода (4) запишется следующим образом:

Уравнение воздушного баланса/расхода (9)

Поскольку через проемы ворот и дверей воздух как поступает в здание (на уровнях от H до h0 и от H до h’0), так и удаляется (на уровнях от h0 до (H – hвор), и от h’0 до (H – hдв), очевидно, что на некотором расстоянии h0 и h’0 существует линия, служащая разделом для течения воздуха – внутрь здания и наружу.

На уровне h’0 наружное и внутреннее давление одинаковы, то есть:

(10)

cоответственно:

(11)

 

а

(12)

В результате интегрирования уравнение (9), при условии

с учетом условий (11) и (12), приводит к следующему выражению:

(13)

Последнее уравнение связывает между собой все переменные величины, определяющие воздушный режим здания с «высокими» и обычными отверстиями: геометрические размеры отверстий, bвор, bдв, hвор, hдв, Aотв, и их расположение относительно «условного 0», hi, высоту здания и уровень расположения «условного 0», H, разность плотностей внутреннего и наружного воздуха, Dr, ветровое давление, DCPW, дисбаланс механической вентиляции, DGмех, и уровень изменения направления потока воздуха в «высоком отверстии» – проемах ворот и дверей, h0. Решение этого уравнения возможно путем итераций или графически, когда известны численные значения исходных данных. При решении целесообразно записать его в форме (5). Для ряда часто встречающихся случаев получены более простые зависимости.

Анализ воздушного режима зданий с проемами в наружных ограждениях, оборудованных воздушно-тепловыми завесами

Рассмотрим несколько частных случаев воздушного режима зданий с проемами, оборудованными воздушными завесами.

Герметичное здание

Для рассматриваемых условий из выражения (13) получим (для условий H = hвор):

(14)

соответственно:

(15)

или

Из формул (14) и (15) следует, что в рассмотренном случае ветровое давление не влияет на распределение давления и расход воздуха через проем. Если выбрать точку расположения «условного 0» произвольно, например, на уровне H > hвор, то:

(16),

а

(17)

где

(18).

Формула (15) позволяет рассчитать разность давлений по обе стороны «высокого» проема (в данном случае ворот) на любом уровне по высоте проема. На уровне «h0» разность давлений равна 0 (см. условие (10), на уровне hвор ее значение максимальное. Поскольку гравитационное давление изменяется по высоте линейно, расчетную величину разности давлений при расчете или поборе ВТЗ будем принимать равной средней по высоте проема [1], то есть:

(15').

Герметичные здания с воротами и дверями разной высоты

Примером таких зданий могут служить здания с воротами высотой hвор и дверями высотой hдв, расположенными по одной стороне здания. Полагаем, hдв < hвор. Разность давлений в проеме ворот определяется по формуле (15). Разность давлений в проеме дверей определяется аналогично. Расходы воздуха в проемах ворот и дверей и суммарный расход воздуха могут быть рассчитаны по формуле (1). Сопоставляя формулы для расходов воздуха в каждом проеме и суммарного расхода, получим:

(19)

где

(20).

Герметичные здания с воротами на наветренной и заветренной сторонах

Из условий (11) и (12), при одинаковой площади ворот на наветренной и заветренной сторонах, следует:

(21)

Очевидно, что когда Pw=0, h0 = h’0, для условий h0 = 0, h’0 = hвор. Таким образом, имеем:

.

или

(22)

Из последней формулы следует: чем больше высота ворот, тем при большей скорости ветра имеет место сквозное проветривание, когда по всей высоте ворот на наветренной стороне происходит приток воздуха – по всей высоте ворот на заветренной стороне происходит вытяжка. «Критическая» величина скорости, когда по всей высоте ворот на наветренной стороне происходит приток воздуха, составляет для ворот высотой hвор = 2, 3 и 4 м соответственно Wкр = 1,24; 2,54 и 2,93 м/с. Когда величина скорости ветра больше критической, W > Wкр, ворота и двери следует рассматривать как обычные проемы. Разность давлений в проеме определится следующей формулой:

(23).

Когда величина скорости ветра меньше критической, W < Wкр, значения h0 и h’0 определяются из формулы (13). Формула имеет вид:

(24).

График, построенный по этой формуле, представлен на рис. 3.

График для определения уровня h0 в проеме ворот

Рисунок 3.

График для определения уровня h0 в проеме ворот. Здание с воротами на наветренной и заветренной сторонах, (W < Wкр)

Здания с воротами и открытыми проемами, расположенными выше уровня ворот

Примером таких зданий являются здания с открывающимися проемами, щелями или неплотностями. Очевидно, что наличие открытых проемов в верхней части здания увеличит расход приточного воздуха в проемах ворот и дверей, соответственно, уровень h0, расстояние от «условного 0» до уровня, где наружное и внутреннее давление равны, уменьшится. Из выражения (13) следует:

(25).

Из последней формулы следует: для условий

    (см. формулу (16)).

Отверстия и неплотности, расположенные в здании выше ворот и дверей, создают дополнительное разрежение в помещении, аналогичное работе вытяжного вентилятора. В зданиях с разрежением внутреннее давление уменьшается, разность давления увеличивается, уровень h0, на котором наружное и внутреннее давление одинаковы, уменьшается. Графики для определения уровня h0, в зависимости от уровня и величины неплотностей в здании выше ворот, размеров ворот и скорости ветра, представлены на рис. 4.

Рисунок 4.

График для определения уровня h0 в проеме ворот в здании с неплотностями в верхней зоне, h0 > (H – hвор): а – W = 0 м/c; б – W = 2 м/c; в – W = 5 м/c

При достаточно больших разрежениях величина h0 достигает значения:

т. е. по всей высоте проема происходит приток воздуха. Например, для условий и W = 0, что соответствует случаю, когда весь проем ворот работает на приток воздуха.

(26).

В формулу (22) входит, в качестве переменной, высота расположения «условного 0», H, величина которой влияет на величину гравитационного давления. Нетрудно показать, что при одинаковых расходах воздуха через проем ворот и проем Аi между площадью проема Ai и высотой его расположения Hi между этими величинами существует следующая зависимость:

(27).

Здания с несбалансированной механической вентиляцией

В зданиях с несбалансированной механической вентиляцией изменяется внутреннее избыточное давление и, соответственно, расходы воздуха в проемах.

Влияние на воздушный режим разрежения в помещении, создаваемого механической вытяжной вентиляцией, аналогично влиянию проема, расположенного выше уровня верха ворот.

В зданиях с подпором внутреннее избыточное давление увеличивается, разность давления уменьшается, уровень h0, на котором наружное и внутреннее давление одинаковы, увеличивается. При достаточно больших подпорах величина h0 достигает значения h0 = H, т. е. по всей высоте проема происходит удаление воздуха. Например, для условий h0 = H и DC = 0, что соответствует случаю, когда весь проем ворот работает на вытяжку воздуха.

(28).

В зданиях с разрежением внутреннее избыточное давление уменьшается, разность давления увеличивается, уровень h0, на котором наружное и внутреннее давление одинаковы, уменьшается. При достаточно большом разрежении величина h0 достигает значения h0 = H – hвор, т. е. по всей высоте проема происходит приток воздуха.

(29).

Графики, построенные по формулам (28) и (29), представлены на рис. 5.

График для определения уровня h0 в проеме ворот в здании с подпором

Рисунок 5.

График для определения уровня h0 в проеме ворот в здании с подпором (верхняя часть графика) или разрежением (нижняя часть графика)

Порядок определения разности давлений при подборе ВТЗ

Анализ воздушного режима ряда наиболее часто встречающихся вариантов общественных и промышленных зданий позволил предложить приближенный метод (экспресс-метод) расчета разности давлений в открытых проемах ворот в зависимости от объемно-планировочных решений здания и герметичности ограждающих конструкций. Предлагаемый метод не охватывает все многообразие условий формирования воздушного режима здания. В частности, не рассматриваются здания, в которых, наряду с проемами с турбулентным режимом течения воздуха, имеются неплотности со смешанным режимом течения. Как показывают расчеты, этими неплотностями в зданиях, имеющих открывающиеся ворота и двери, можно пренебречь. Формулы и графики для определения расчетной разности давления в проемах, защищаемых шиберующей ВЗ, представлены в табл. 1. Возможен следующий алгоритм определения разности давлений при подборе ВТЗ с использованием данных табл. 1:

– по исходным данным устанавливается тип и схема здания;

– исходные данные приводятся к виду, предусмот-ренному в табл. 1;

– по формулам и графикам определяются значения высоты нейтральной линии, h0, и разности давлений, DP.

Таблица 1 (подробнее)

Порядок определения разности давлений, DP

Таблица 2
Значения критической скорости ветра
Высота ворот, hвор, м Скорость ветра, Wкр, м/с
2 1,9
3 2,5
4 2,85
Таблица 3
Предельная относительная величина неплотностей в здании,
(mA)непл / (mb)вор. H = 10 м
Высота ворот, hвор, м Скорость ветра, Wкр, м/с
0 1 2 3 4 5
2 0,67 0,65 0,64 0,61 0,57 0,53
3 1,31 1,27 1,25 1,18 1,10 1,00
4 2,18 2,02 2,06 1,92 1,78 1,64

Литература

1. Каменев П. Н. Отопление и вентиляция. Часть II. Вентиляция. М.: Стройиздат, 1964.

2. Батурин В. В., Эльтерман В. М. Аэрация промышленных зданий. М.: Гостройиздат, 1963.

3. Бутаков С. Е. Основы вентиляции горячих цехов. Свердловск: Металлургиздат, 1962.

4. Отопление и вентиляция. Часть II. Вентиляция. Под ред. В. Н. Богословского. М.: Стройиздат, 1976.

5. E. Shilkrot, A. Strongin. В кн. Industrial Ventilation. Design Guide Book. Academic Press, 2001.

Поделиться статьей в социальных сетях:

Статья опубликована в журнале “АВОК” за №8'2005

распечатать статью распечатать статью


Реклама
Реклама на нашем сайте
Яндекс цитирования

Подписка на журналы

АВОК
АВОК
Энергосбережение
Энергосбережение
Сантехника
Сантехника
Онлайн-словарь АВОК!


Реклама на нашем сайте