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

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:

• Share

• Share

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.

• Share

На рис. 1 представлены эпюры давлений при совместном 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:

• Share

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:

• Share

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:

• Share

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.

• Share

Уровень "условного 0" поместим на уровне центра неплотностей А1.
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 = gr dhвор + dCPW .
Эпюра давлений внутри здания имеет форму прямоугольника с горизонтальной стороной P0, причем:

P0 < gr dhвор + dCPW .
В общем случае разность давлений (PH - 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:

• Share

Расход приточного воздуха, соответственно:

• Share

а вытяжного:

• Share

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

• Share

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:

• Share

cоответственно:

• Share

• Share

В результате интегрирования уравнение (9), при условии

• Share

• Share

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, r?, ветровое давление, ?CPW, дисбаланс механической вентиляции, ?Gмех, 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):

• Share

соответственно:

• Share

или

• Share

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:

• Share

а

• Share

где

• Share

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:

• Share

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:

• Share

где

• Share

• Share

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

• Share

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

• Share

или

• Share

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:

• Share

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

• Share

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

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:

• Share

Из последней формулы следует: для условий

• Share

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.
При достаточно больших разрежениях величина h0 достигает значения:

• Share

т. е. по всей высоте проема происходит приток воздуха. Например, для условий h0 = 1 - hвор и W = 0, что соответствует случаю, когда весь проем ворот работает на приток воздуха.

• Share

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:

• Share

• Share

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.

• Share

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.

• Share

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.

• Share

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

№ п/п	Тип здания	Схема здания	Высота нейтральной линии, h0, м	Разность давлений, dP, Па	Примечания
1	“Герметичное”	Share	hвор / 2	grdh0	формула (16)
2	“Герметичное” II	Share	Share	grdh0	формула (20) W = 0
3	“Герметичное” III	Share	По графику рис. 5	grd(hвор – ho)	формула (28)
4	“Герметичное” IV	Share	По графику рис. 5	grd(hвор – ho)	формула (29)
5	“Герметичное” V	Share	По графику рис. 3 По табл. 2	Share	W < Wкр µAнав = µAзав W >= Wкр
6	С неплотностями на заветренной стороне	Share	По графику рис. 4 По табл. 3	Share	H – hвор < h0 < < H – 0,5 hвор h0 = H – hвор

Таблица 2 Значения критической скорости ветра

Таблица 3 Предельная относительная величина неплотностей в здании, (µA)непл / (µb)вор * H = 10 м

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.

Е. О. Шилькрот,
ОАО "ЦНИИПромзданий, ООО "НПО Термэк"

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.