Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
ИНЖЕНЕРНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ
Лекция 1
Введение в дисциплину
Вопросы рассматриваемые в лекции
1. Область проектирования инженерного оборудования
2. Водоснабжение, канализация и санитарно-техническое оборудование
3.Мероприятие по экономичному использованию воды
4.Развитие коммунальной техники
Цель предмета — выработать у студентов теоретические и практические знания по основам проектирования инженерного оборудования зданий, сооружений, городов и населенных мест, необходимых для практической творческой работы архитектора. Здесь мы изложили принципы, правила и положения взаимосвязи функционально-технологических, архитектурно-художественных решений зданий с требуемым инженерным оборудованием, применимые в равной мере как при разработке объектов нового строительства, так и при реконструкции и техническом перевооружении действующих объектов, куда в предстоящее десятилетие будут направлены в первую очередь капитальные вложения.
Инженерное оборудование зданий — комплекс технических устройств, обеспечивающих благоприятные (комфортные) условия быта, трудовой деятельности населения и технологического процесса в помещениях, включающий водоснабжение (холодное и горячее), газоснабжение, отопление, вентиляцию, кондиционирование воздуха, канализацию, электрооборудование, средства мусороудаления и пожаротушения, лифты, телефонизацию, радиофикацию и другие виды внутреннего благоустройства.
Если архитектура, по словам Ле Карбюзье,— это способность нашего сознания закреплять в материальных формах чувство эпохи, то инженерное оборудование зданий есть отражение уровня технического состояния эпохи.
Проектирование инженерного оборудования зданий является предметом совместной творческой деятельности коллектива, включающего большое число специалистов разных профессий: архитекторов, сантехников, технологов, конструкторов, социологов и т. д. В этом коллективе в соответствии с сутью их профессии специалисты по инженерному оборудованию зданий — отоплению, вентиляции, кондиционированию воздуха; водоснабжению, канализации, внутридомовому транспорту, электрооборудованию и т. д.— занимают особое положение как специалисты по созданию и обеспечению комфортных условий для людей и обеспечения технологического процесса.
Инженерное оборудование зданий оказывает во всех случаях существенное, а в ряде случаев решающее значение на архитектуру, объемно-планировочные решения зданий и интерьер помещений.
Область проектирования инженерного оборудования зданий характеризуется рядом специфических особенностей, отличающих ее от других областей архитектурно-строительного проектирования: большой номенклатурой технологических процессов в здании и многочисленными особенностями организации инженерного оборудования, обеспечивающих возможность осуществления технологического процесса; необходимостью глубоких знаний различных областей физики, аэрогидромеханики и математики, которые количественно и качественно определяют специфику работы инженерного оборудования.
Отопительно-вентиляционная и санитарная техника как научные дисциплины начали развиваться в нашей стране, в конце XIX—начале XX века. Достижения в области отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха неразрывно связаны с именами отечественных ученых и специалистов, таких, как В. М. Чаплин, Б. М. Аше, В. В. Батурин, М. Ф. Бром-лей, Н. С. Ермолаев, А. В. Нестеренко, Л. А. Семенов, О. Е. Власов, И. А. Шепелев, И. Ф. Ливчак, В. Н. Богословский и др.
Для работы систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха по стране расходуется до 40% твердого и газообразного топлива и до 10% вырабатываемой электроэнергии. К сожалению, удельная теплопотребность в строительстве не сокращается: в современных зданиях, потребность в тепле больше, чем в зданиях 50—60-х годов строительства. Поэтому одной из наиболее актуальных задач современного строительства является экономия топливно-энергетических ресурсов, т. е. проектирование зданий с эффективным использованием энергии.
В современном индустриальном строительстве наряду с большими успехами имеется ряд недостатков, которые связаны с малой изученностью, а в ряде случаев с недооценкой вопросов отопительно-вентиляционной техники. Это привело к появлению зданий с большими площадями остекления, неправильному выбору соотношений малоинерционных ограждающих конструкций и инерционных систем отопления, что вызвало неоправданно широкое применение систем кондиционирования воздуха вследствие недостаточной теплоустойчивости здания.
Водоснабжение, канализация и санитарно-техническое оборудование зданий и сооружений определяют не только уровень их благоустройства, но и масштабы развития многих отраслей народного хозяйства. Системы водоснабжения и канализации, которые строятся в местах, где живут и работают люди и функционируют промышленные предприятия, относятся к одним из главнейших систем жизнеобеспечения. Снабжение потребителей водой высокого качества и в достаточном количестве имеет большое санитарно-гигиеническое, экономическое и социальное значение.
Потребление природной воды из подземных и поверхностных водоисточников на различные нужды ежегодно увеличивается одновременно с осуществлением в нашей стране грандиозного по своим масштабам гражданского и промышленного строительства. Однако, несмотря на громадные запасы воды на земле, запасы ее на обжитой территории ограничены. Ряд районов нашей страны и других государств испытывают острый дефицит в пресной воде. В связи с этим очень большое внимание уделяется разработке проблем рационального, обоснованного, комплексного использования водных источников.
Наряду с этим важным мероприятием по экономичному использованию воды является разработка инженерного оборудования, исключающего утечки воды (в трубах и санитарно-техническом оборудовании).
Водоснабжение развивалось вместе с развитием человеческого общества. Первые инженерные сооружения, призванные извлекать воду из источника и транспортировать потребителю, появились в Древнем Египте, Китае, Греции и Риме.
В России первые инженерные сооружения по водоснабжению и канализации появились в конце XII в. Однако развитие систем водоснабжения и канализации в дореволюционной России шло крайне медленно. За 130 лет, предшествующих Великой Октябрьской социалистической революции, водопровод был построен всего в 215, а системы канализации — в 19 городах. Расходы воды на одного человека составляли от 30 до 50 л/сут. Население городов получало воду главным образом через уличные водоразборные колонки и фонтаны, а внутридомовыми водопроводом и канализацией были оборудованы только 8…9% зданий, которыми владели наиболее состоятельные люди.
За годы первых пятилеток были построены крупные системы водоснабжения и канализации в городах, рабочих поселках и промышленных комплексах страны. В результате постоянной заботы правительства о развитии коммунальной техники за годы Советской власти в стране построено более тысячи городских водопроводов и канализаций, создана мощная строительная индустрия, обеспечивающая строительство и монтаж санитарно-технических систем для жилых и общественных зданий с ежегодным вводом в эксплуатацию более 120 млн. м2 общей площади зданий. Норма водопотребления на 1 чел. в сутки возросла до 250…400 л, а в крупных городах и до 600 л.
В развитие коммунальной техники большой вклад вносят ученые высших учебных заведений страны. Научными вопросами очистки природных и сточных вод занимаются более 100 соответствующих кафедр вузов и около 400 научно-исследовательских подразделений различных министерств и ведомств страны. Деятельность отечественных ученых, сделавших крупный вклад в развитие водного хозяйства страны — Н. Н. Гениева, В. Т. Турчиновича, 3. Н. Шишкина, Н. Н. Абрамова, Д. М. Минца, С. В. Яковлева и др.— тесно связана с различными вузами страны.
Все сказанное выше свидетельствует о большом значении систем водоснабжения, канализации, отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха в инженерном оснащении зданий и сооружений, и наглядно подтверждает необходимость уделять этому вопросу серьезное внимание на всех стадиях строительства, начиная со стадии проектирования.
Ряд разделов учебника посвящен другим вопросам инженерного оборудования зданий — электрооборудованию, внутренним водостокам, мусороудалению, лифтам. Задача будущего архитектора — овладеть принципиальными особенностями проектирования инженерных систем зданий, рассматривая их в тесной связи с принимаемыми архитектурно-планировочными решениями.
ЗДАНИЕ КАК ЕДИНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
Вопросы рассматриваемые в лекции
1. Задача обеспечения в помещениях здания
2. Изучение здания
Здание представляет собой сложную архитектурно-конструктивную систему с многообразием составляющих ее элементов ограждающих конструкций и инженерного оборудования, в которых протекают различные по физической сущности процессы поглощения, превращения и переноса теплоты.
Под действием разности температур наружного и внутреннего воздуха и солнечной радиации помещение через ограждающие конструкции в зимнее время теряет, а в летнее получает теплоту. Гравитационные силы, действие ветра и вентиляция создают перепады давлений, приводящие к перетеканию воздуха между сообщающимися помещениями и к его фильтрации через поры материалов и не плотности ограждений. Атмосферные осадки, влаговыделения в помещениях, разность влажности внутреннего и наружного воздуха приводят к влагообмену через ограждения, под влиянием которого возможно увлажнение материалов и ухудшение их теплозащиты.
Наружные ограждающие конструкции защищают помещение от неблагоприятных воздействий климата, специальные системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха поддерживают в помещении в течение всего года определенные параметры внутренней среды. Совокупность всех инженерных средств и устройств, обеспечивающих заданные условия микроклимата в помещениях здания, называется системой кондиционирования микроклимата.
Тепловым режимом здания называется совокупность всех факторов и процессов, определяющих тепловую обстановку в его помещениях.
Задача обеспечения в помещениях здания определенного теплового режима представляет собой организацию взаимодействующих и взаимосвязанных тепловых потоков в сложной архитектурно-конструктивной системе с многообразием составляющих ее элементов ограждающих конструкций и инженерного оборудования, каждый из которых является энергоносителем и энергопередатчиком. Принципиальной особенностью этой системы является то обстоятельство, что здание как единая энергетическая система представляет не простое суммирование этих элементов, а особое их соединение, придающее всей системе в целом новые качества, отсутствующие у каждого из элементов.
Архитектурное проектирование зданий и сооружений осуществляется в соответствии с технологическим назначением здания и климатическим районом строительства. Такое проектирование предъявляет высокие требования к архитектору и обязывает его творчески подходить не только к выбору местоположения здания и его внешней выразительности, но также к геометрической форме здания, его расположению по отношению к суточному и годовому движению солнца, господствующему направлению ветра, к объемно-планировочным решениям помещений и т. д. Система кондиционирования микроклимата дает возможность практически во всех случаях обеспечивать требуемый микроклимат в помещениях, но требует больших затрат на ее создание и эксплуатацию.
В архитектурном проектировании следует стремится к максимальному использованию архитектурно-планировочных и конструктивных решений для обеспечения требуемого микроклимата в помещениях. При этом архитектору важно помнить, что даже самые совершенные системы обогрева — охлаждения и вентиляции помещений не дадут ожидаемого эффекта, более того, окажутся бездейственными в обеспечении требуемого микроклимата помещения, если они не соответствуют архитектуре здания.
Изучение здания как единой энергетической системы имеет своей целью определение наиболее целесообразного сочетания и оптимальных показателей элементов системы кондиционирования микроклимата. В настоящее время для изучения сложных энергетических систем, к которым может быть отнесено здание, используется методология системного подхода. Основная цель системного подхода — раскрытие реального сложного механизма функционирования системы.
Основной предпосылкой использования системного подхода в данном случае является наличие ограниченного числа основных типовых элементов, из которых складывается здание как единая энергетическая система. В качестве основных элементов можно рассматривать следующие: энергетическую эффективность показателей наружного климата; тепловой режим помещения (с учетом лучистого и конвективного теплообмена, источников тепла, теплоинерционности оборудования); режим здания.
Предложенную совокупность основных элементов здания как единой энергетической системы нельзя рассматривать как правило. В зависимости от существа решаемой задачи можно принимать другую совокупность основных элементов здания. Например, если здание оборудовано установкой по использованию, энергии солнца, ветра или теплоты верхних слоев земли для обогрева или охлаждения помещений, то энергетическая эффективность установки может быть рассмотрена как элемент энергетической системы здания.
Для изучения количественных и качественных закономерностей, свойственных элементам системы, в большинстве случаев используют методы физического и математического моделирования. При физическом моделировании изучение данного явления или процесса происходит при его воспроизведении в разных масштабах и анализе влияния физических особенностей и линейных размеров. Научной основой физического моделирования является теория подобия, в соответствии с которой осуществляется воспроизведение постоянства определяющих критериев подобия на модели и объекте.
Методы физического моделирования оправданы для сравнительно простых систем, поскольку приходится оперировать ограниченным числом критериев. В случае сложных систем, к которым относится здание, получается большой набор критериев подобия, которые становятся одновременно несовместимыми и, следовательно, не могут быть реализованы. Эффективным в этом случае оказывается метод математического моделирования, основанный на воспроизведении совокупности характеристик объекта системой математических соотношений.
Лекция 3
РАСЧЕТНЫЕ ТЕПЛОВЫЕ УСЛОВИЯ В ПОМЕЩЕНИИ
Вопросы рассматриваемые в лекции
Уровень комфортных условий
Категория работ средней тяжести
Комфортные тепловые условия
Оптимальные значения относительной влажности воздуха
В помещениях жилых, общественных и производственных зданий требуется поддерживать необходимые для людей и технологических процессов метеорологические условия. Метеорологические условия в помещении — это совокупность показателей тепловой обстановки, концентрации вредных веществ, давления, запахов, влажности. Тепловая обстановка или тепловые условия в помещении являются важнейшим показателем метеорологических условий и характеризуется значениями температуры, относительной влажности и подвижности внутреннего воздуха, а также значениями температуры внутренних поверхностей ограждений. Показатели тепловых условий в помещении должны быть, во-первых, в определенном сочетании между собой и, во-вторых, не отклоняться от заданных пределов. Показатели, отвечающие таким требованиям, называют расчетными показателями тепловых условий в помещении.
Тепловые условия в помещениях разделяют по значимости на следующие три типа: комфортные, технологические, комфортно-технологические. Комфортные тепловые условия создают, исходя из обеспечения комфортных условий для человека, находящегося в помещении. Такие условия имеют место в жилых, в большинстве общественных и ряде производственных зданий промышленности и сельского хозяйства. Технологические тепловые условия получают, исходя из обеспечения технологического процесса в помещении. Такие условия необходимы, например, в большинстве производственных зданий. В тех случаях, когда технологические тепловые условия совпадают с комфортными, имеют место комфортно-технологические тепловые условия. Когда технологические тепловые условия существенно выходят за пределы комфортных тепловых условий, технологический процесс организуется таким образом, чтобы исключить или сделать кратковременным пребывание людей в помещении.
Уровень комфортных условий зависит от климатической адаптации человека и его привычки. По данным гигиенистов для человека оказывается полезным периодическое изменение температуры в течение дня и понижение ее на 2…3 °С ночью, что связано с изменением интенсивности обмена веществ и особенностью деятельности людей. Установлено, что тепловое самочувствие заметно влияет на производительность труда: при изменении температуры воздуха от 22 до 15 °С усвояемость слушателями излагаемого материала снижалась на четверть, а до 30 °С — на половину; число несчастных случаев на производстве резко возрастает при отклонении температуры воздуха от оптимального значения на 3…5 °С.
Комфортные тепловые условия нормируются в зависимости от способности человеческого организма к акклиматизации в разное время года, интенсивности выполняемой работы и характере тепловыделений.
Различают три периода года: холодный, когда температура наружного воздуха ниже +10°C; переходный— при + 10°С; теплый — при ≥ +10°С и выше.
При учете интенсивности труда все виды работ делятся на три категории: легкие, средней тяжести и тяжелые. К легким, с затратой энергии до 175 Вт, относятся работы, выполняемые сидя или стоя, не требующие систематического физического напряжения (процессы точного приборостроения, конторские работы и др.).
К категории работ средней тяжести относятся работы с затратой энергии 175…290 Вт, связанные с постоянной ходьбой, переносом тяжестей до 10 кг (механосборочные цеха, обработка древесины, текстильное производство и др.). К тяжелым относятся работы, выполняемые с затратой энергии свыше 290 Вт.
По интенсивности тепловыделений помещения разделяют на группы в зависимости от удельных избытков явной теплоты.
Явной называется теплота, воздействующая на изменение температуры воздуха помещения, ее избытком называется разность между суммарными поступлениями явной теплоты и суммарными теплопотерями в помещении.
В зависимости от избытков явной теплоты qН различают три группы помещений: с незначительными теплоизбытками явной теплоты при qН ≤23 Вт/м3; со значительными избытками явной теплоты при qН ≥ 23 Вт/м3; вспомогательные помещения производственных зданий, жилье и общественные помещения при всех значениях qН
Комфортные тепловые условия в помещениях делят на оптимальные и допустимые. Оптимальные условия — это такое сочетание показателей тепловых условий, которые при длительном и систематическом воздействии на человека позволяют сохранять нормальное функциональное и тепловое состояние организма. Оптимальные условия обеспечивают ощущение теплового комфорта и создают предпосылки для хорошей работоспособности.
Допустимые условия учитывают способность организма человека адаптироваться к окружающей среде путем активизации системы биологической терморегуляции.
Деятельность человека или технологический процесс в помещении происходят в определенной части его объема, которая называется обслуживаемой или рабочей зоной. Расчетные тепловые условия должны быть обеспечены системами отопления, вентиляции и теплозащитой ограждений именно в этой зоне.
В холодный период года оптимальная температура воздуха составляет: для легкой работы 20…23 °С, для работы средней тяжести 17…20 °С, для тяжелой работы 16… 18 °С; допустимые температуры равны соответственно: 19…25°С, 15…23°С и 13…19°С. Для теплого периода года оптимальные температуры воздуха для указанных категорий работ принимаются 22…25 °С, 21…23°С, 18… 21 °С. Максимально допустимая температура воздуха в рабочей зоне равна 28 °С и только при расчетной температуре наружного воздуха больше + 25 °С, допускается до 33 °С.
Оптимальные значения относительной влажности воздуха нормируются в пределах 40…60 %, допустимые— до 75%. Расчетные оптимальные скорости воздуха в помещении принимаются для холодного периода года 0,2…0,3 м/с; для теплого 0,2…0,5 м/с. Допустимые значения скорости равны 0,2…0,5 м/с зимой и 0,2…1,0 м/с в теплый период года.
Во всех случаях важной является степень обеспеченности расчетных тепловых условий в помещении. В таких зданиях, как больницы, детские ясли, производственные здания с высокими требованиями к технологическому процессу требуется высокая степень обеспеченности расчетных условий при любых погодных условиях какие только могут быть в районе строительства. В жилых и большинстве общественных зданий допустимы кратковременные отклонения от расчетных условий. В зданиях, периодически функционирующих с кратковременным пребыванием людей (залы ожидания для пассажиров, временные выставки) степень обеспеченности расчетных тепловых условий может быть еще более низкой. Таким образом, для зданий различного назначения при проектировании должны быть определены не только расчетные тепловые условия, но и показатели степени их обеспеченности.
Лекция 4
ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ПОМЕЩЕНИЯ В ХОЛОДНЫЙ ПЕРИОД ГОДА
Вопросы рассматриваемые в лекции
В холодный период года помещение теряет теплоту через наружные ограждения. Кроме того, теплота расходуется на нагревание наружного воздуха, который проникает в помещение через неплотности ограждений, а также на нагревание материалов, транспортных средств, изделий, одежды, которые охлажденными поступают с улицы в помещение. Системой вентиляции в помещение может подаваться воздух с более низкой температурой по сравнению с воздухом помещения, технологические процессы могут быть связаны с испарением жидкостей и другими процессами, сопровождающимися затратами теплоты. С другой стороны, теплота поступает в помещение: от технологического оборудования, источников искусственного освещения, нагретых материалов и изделий, в результате прямого попадания через оконные проемы солнечных лучей, от людей, находящихся в помещении.
Сведением всех составляющих поступления и расхода теплоты в тепловом балансе помещения определяет дефицит или избыток теплоты. Дефицит теплоты указывает на необходимость устройства в помещении системы отопления. Для гражданских зданий обычно принимают, что в помещении отсутствуют люди, нет освещения и других тепловыделений, поэтому определяющими расход теплоты являются теплопотери через ограждения.
Различают два вида теплопотерь; за счет теплопередачи через наружные ограждающие конструкции (стены, покрытия, перекрытие, окна, ворота, двери и т. п.) и за счет фильтрации наружного холодного воздуха через не плотности и поры в наружных ограждениях и их элементах.
Важнейшими климатическими параметрами, используемыми для расчета теплопотерь, являются температура наружного воздуха, средняя температура наружного воздуха за отопительный период, длительность отопительного периода и скорость ветра.
Численные значения температуры наружного воздуха для определения расчетной тепловой мощности системы отопления соответствуют средней температуре наиболее холодной пятидневки из восьми наиболее холодных зим за последние 50 лет. Эти значения имеют определенное физическое содержание. Действительно, если для восьми значений определить их среднее значение, то можно принять, что четыре других — меньше. Тогда можно считать, что в четырех случаях из 50, т. е. четыре раза в 50 лет или восемь раз в сто лет температура наружного воздуха может оказаться ниже ее расчетного значения, а вероятность появления этого события равна 4/50 или 0,08. С другой стороны, обеспеченность выбора расчетной температуры равна 1—0,08 = 0,92.
Наиболее высокие значения удельной тепловой характеристики, а следовательно наиболее высокие теплопотери, имеют производственные здания порядка 0,8 Вт/(м3-°С). Значение q0 для гражданских зданий изменяется в пределах от 0,6 для одноэтажных зданий до 0,3 для зданий более 9 этажей.
На рис. 1.1, а показана примерная структура теплового баланса здания в холодный период года. Соотношение (в %) между теплопотерями характерно для гражданских зданий. Для промышленных зданий с воздушной системой отопления, совмещенной с вентиляцией, характерна следующая примерная структура теплового баланса {%) теплопотери за счет воздухообмена — 85; теплопотери через стены — 7; теплопотери через покрытие — 6; теплопотери через пол — 2. При проектировании зданий с целью уменьшения теплопотерь и соответственно снижения затрат на отопление помещения необходимо: уменьшать площадь наружных ограждений и повышать их термическое сопротивление. Удельная площадь наружных ограждений уменьшается при увеличении ширины здания, уменьшении изрезанности фасадов, а также увеличении длины и высоты здания; повышать термическое сопротивление заполнений световых проемов, так как теплопотери через 1 м2 заполнения в 2,5…3 раза больше, чем через 1 м2 стены, а суммарные теплопотери через заполнения достигают 35 % общих теплопотерь здания; уменьшать площадь световых проемов до нормативной величины, требуемой по условиям естественной освещенности. Размеры световых проемов оказывают решающее влияние на тепловые ощущения человека. При избыточной площади световых проемов задача обеспечения расчетных тепловых условий представляет серьезные трудности и ее решение сопряжено со значительными затратами.
В теплый период года теплопоступления в помещения складываются из теплоты, передаваемой через наружные ограждения за счет воздействия на них солнечной радиации и температуры наружного воздуха и из технологических и бытовых тепловыделений. Особенностью теплового баланса помещения в теплый период года является его нестационарность в течение суток, обусловленная суточной изменяемостью теплопоступлений от солнечной радиации. Для уменьшения поступлений теплоты от солнечной радиации используют средства тепло- и солнцезащиты зданий в виде теплоустойчивых, орошаемых водой и вентилируемых ограждений, затеняющих устройств, солнцезащитных стекол и т. д., а для обеспечения расчетных тепловых условий в помещении — системы вентиляции или кондиционирования воздуха. Одна из главных задач проектирования здания для теплового периода года состоит в выборе оптимального соотношения между архитектурно-планировочными решениями, снижающими теплопоступления от солнечной радиации в помещения, и производительностью систем вентиляции или кондиционирования воздуха. При этом следует иметь в виду: проектирование систем кондиционирования микроклимата для теплого периода года представляет в большинстве случаев более трудную задачу, чем для холодного периода года; избыточное остекление приводит к значительному нарушению расчетных тепловых условий в помещениях зданий, расположенных даже в районах с умеренным летним климатом (Москва, Ленинград, Горький и т. д.); расчетный тепловой режим в помещениях следует стремиться обеспечить архитектурно-планировочными решениями по защите от перегрева; критической температурой, при которой архитектурно-планировочные решения по защите от перегрева являются недостаточными, можно принимать среднесуточную температуру наружного воздуха равной 25…26 °С.
Соотношение (%) между теплопоступлениями характерно для гражданских зданий. Для промышленных зданий с развитой площадью покрытия: теплопоступления через стены — 15 %; теплопоступления через окна — 40 %; теплопоступления через крышу — 45 %.
Лекция 5
ВОЗДУХООБМЕН ПОМЕЩЕНИЙ
Вопросы рассматриваемые в лекции
Натурные исследования
Различение воздухообменов
Кратность воздухообмена
Для поддержания заданных параметров воздушной среды в помещений необходима подача свежего и удаление загрязненного воздуха. При расчетах воздухообмена помещений определяется количество свежего воздуха, которое необходимо подать в помещение для удаления избыточной теплоты, влаги, вредных веществ.
Внутри помещений гражданских и производственных зданий, вследствие происходящих в них биологических и технологических процессов, выделяются теплота, водяные пары, газы и пыль (так называемые производственные вредности) Источниками теплоты могут быть солнечная радиация, проникающая в помещение через заполнения световых проемов, нагретые в летнее время поверхности ограждающих конструкций, источники освещения, люди, технологическое оборудование. Выделение влаги может происходить от людей, технологического оборудования, смоченных поверхностей, открытых резервуаров, заполненных водой.
В практических условиях часто одновременно с выделением теплоты и влаги в помещении выделяются вредные газы и пыль. Выделение вредных газов может происходить как от людей, так и от технологического оборудования. Взрослый человек в состоянии покоя выделяет 20 л/ч углекислого газа. В производственных помещениях выделение вредных газов и паров может происходить в результате химических процессов. Источниками образования пыли могут быть механическое измельчение или обработка твердых тел, транспортирование, перемешивание и упаковка измельченного материала. В воздухе городов содержание пыли составляет от 0,8 до 3 мг/м3.
Натурные исследования показывают, что поступающие от источников теплота, влага и вредные вещества неравномерно распространяются по объему помещения. Чем выше помещение, чем больше в нем источников теплоты, чем дискретнее эти источники и чем больше их температура отличается от температуры внутреннего воздуха, тем больше изменяется температура в плане и по высоте помещения. Как правило, в помещениях с избыточными тепловыделениями имеет место образование под покрытием «теплой подушки», т. е. слоя воздуха с более высокой температурой. При наличии в помещении источников влаговыделений водяной пар также устремляется вверх, образуя под покрытием «влажную подушку». В цехах с выделением газов и паров имеет место образование концентраций вредностей в верхней или нижней зонах помещения в зависимости от соотношения их объемных весов и воздуха.
В отопительно-вентиляционной практике учет поступления в помещения теплоты, влаги и вредных веществ предполагает решение следующих двух основных задач: определение количества теплоты, влаги, вредных веществ, поступающих в помещение и удаленных из него; выявление закономерностей распространения теплоты, влаги и вредных веществ по объему помещения.
Решения первой задачи позволяет определить производительность системы отопления и вентиляции помещения, решение второй задачи — схему воздухораспределения в помещении.
Следует иметь в виду, что при расчетах воздухообмена зданий принимают равенство количества свежего воздуха, подаваемого в помещения, количеству загрязненного воздуха, удаляемого из помещения.
Воздухообмены различают по виду вредных выделений, для удаления которых они предназначены: например, воздухообмен по избыткам явной теплоты, влаговыделениям, углекислому газу.
Воздухообмен численно характеризуют либо его величиной — количеством свежего воздуха, подаваемого в помещения в единицу времени, либо его кратностью. Величина воздухообмена измеряется в м3/с, м3/ч, кг/ч и обозначается Lj. Индекс j используется для обозначения вида вредностей, для удаления которой определяется воздухообмен. Например, LQ—воздухообмен по избыткам явной теплоты; Ld — воздухообмен по влаговыделениям; Lco2 — воздухообмен по углекислому газу.
При проектировании системы вентиляции помещения возможны три случая расчета воздухообмена: по заданной кратности воздухообмена; по требуемому воздухообмену на одну установку, по величине вредных выделений в помещении.
Кратность воздухообмена — количество смен воздуха в помещении в единицу времени. Обычно кратность воздухообмена обозначают т и измеряют в 1/ч. Между воздухообменом и его кратностью очевидна связь:
L = mV,
где V — объем помещения, м3.
Во втором случае необходимый воздухообмен
L= L1n,
где L1— требуемый воздухообмен на одну установку, м3/ (ч • уст); п — количество установок в помещении.
В третьем случае необходимый воздухообмен для удаления рассматриваемого вида вредных выделений определяют из решения уравнения баланса этого вида выделений в помещении. Если в помещении имеют место несколько видов выделения вредностей, то составляют уравнения балансов для каждого вида, а затем в качестве расчетного воздухообмена принимают наибольший.
НАЗНАЧЕНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ ВЕНТИЛЯЦИИ И КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ
Вопросы рассматриваемые в лекции
Вентиляция в переводе с латинского языка — «проветривание», т. е. обновление воздуха помещения. Проветривание помещения может быть естественным: неорганизованным и организованным, а также искусственным.
Для любого естественного проветривания помещения необходимым является наличие или разности температур воздуха помещения и наружного, или воздействия ветра, или совместного их действия, вызывающее гравитацию воздуха помещения.
При неорганизованном проветривании, которому способствуют форточки, оконные и дверные проемы, камины, а также различные неплотности в строительных конструкциях, воздухообмен помещения получается естественным, произвольным, нерегулируемым. В этом случае параметры воздушной среды помещения неуправляемы.
Но так как в помещениях чаще всего должна создаваться определенная воздушная среда, отвечающая санитарно-гигиеническим или технологическим требованиям, возникает необходимость в организованном воздухообмене, т. е. в замене воздуха расчетного регулируемого количества; естественным или искусственным путем, т. е. организованной вентиляцией.
Организованная вентиляция —естественный или искусственный регулируемый воздухообмен в помещениях (замкнутых пространствах), обеспечивающий создание воздушной среды в соответствии с санитарно-гигиеническими и технологическими требованиями норм.
Организованная вентиляция является совокупностью инженерно-технических средств и архитектурных решений здания и представляет собой систему, которая может быть сложной, включающей в себя комплекс инженерных устройств: воздухоподготовку, транспортировку, подачу и удаление воздуха помещения, а может быть значительно проще,— системой «фрамуги — фонари».
В любом случае архитектурное решение помещения (здания) должно способствовать осуществлению воздухообмена. Ни одна из инженерных систем здания не связана так тесно и взаимно с его архитектурой, как система вентиляции. Архитектурная деталь здания может являться составной частью системы вентиляции и наоборот.
Архитектурное решение помещения (здания) может способствовать эффективному действию системы вентиляции и, наоборот, без учета особенностей вентиляционных решений нарушать воздухообмен помещений. Поэтому объемно-планировочное и строительно-архитектурное решение здания необходимо тщательно увязывать с решением систем вентиляции его помещений.
Воздушная среда помещения должна иметь постоянные параметры или с незначительными допустимыми отклонениями от расчетных значений, см. гл. 1. Вместе с тем воздушная среда помещения находится в зависимости от выделяющихся в помещении вредностей и от параметров наружного воздуха, а при плохой организации вентиляции она может претерпевать значительные изменения во времени.
Для ассимиляции вредностей воздушной среды помещения недостаточна только замена воздуха помещения определенным количеством наружного воздуха. Параметры подаваемого в помещение воздуха должны быть также определены расчетом.
В организованной вентиляции, обеспечивающей подачу воздуха в помещение, воздухоподготовка заключается в его очистке и нагреве и осуществляется в приточных установках.
В холодный период года, когда значение температуры наружного воздуха ниже температуры воздуха помещения, с помощью приточной установки вентиляционной системы удается создавать расчетную температуру подаваемого воздуха и поддерживать температуру воздушной среды помещения, а в теплый период года, когда температура наружного воздуха равна или выше температуры воздуха помещения, система вентиляции способна создавать лишь воздухообмен с параметрами наружной среды.
3. Кондиционирование воздуха
Кондиционирование в переводе с латинского языка (относительно воздуха) — приготовление воздуха определенных кондиций.
Кондиционирование воздуха — процесс обработки с помощью которого обеспечивают очистку воздуха, автоматическое регулирование его температуры и влажности путем нагревания, охлаждения, увлажнения.
Система кондиционирования воздуха (СКВ) —особый усовершенствованный вид организованной искусственной вентиляции, той ее части, которая подает воздух в помещение.
Отличительной чертой СКВ от вентиляции является автоматическое управление в обеспечении заданного тепловлажностного режима искусственного климата помещения, а также подготовка воздуха для помещения вместо приточной вентиляционной установки, в специальных агрегатах — в кондиционерах.
Кондиционер — автоматическая установка, являющаяся сложной областью техники, включающая устройства для очистки, нагревания, увлажнения, осушки, охлаждения и транспортировки воздуха, а кроме того, дополнительные устройства для озонирования, парфюмеризации и ионизации воздуха.
Теоретической основой проектирования системы кондиционирования микроклимата является система уравнений теплового и воздушного балансов помещения.
Решение системы уравнений позволяет: определить количества теплоты, влаги и вредных веществ, поступающих в помещение; выявить закономерности распространения теплоты, влаги и вредных веществ по объему помещения; определись схему воздухораспределения в помещении; определить производительность систем регулирования теплового и воздушного режимов помещения.
В настоящее время качественное и количественное изучение здания как единой энергетической системы с целью оптимального проектирования микроклимата основано на использовании ЭВМ. Применение метода математического моделирования и ЭВМ позволяет получить без существенных затрат решения по проектированию системы кондиционирования микроклимата, эффективное по широте учета влияющих факторов и времени выполнения. Использование метода математического моделирования и ЭВМ позволяет наиболее эффективно решить основную задачу проектирования системы кондиционирования микроклимата — задачу определения оптимального соотношения между производительностью (мощностью) системы обогрева или охлаждения здания и его архитектурно-конструктивными теплозащитными показателями. Сущность этой задачи заключается в следующем: задают исходные условия: район строительства, тип здания, расчетные (допустимые и оптимальные) параметры внутренней среды и коэффициент их обеспеченности, наружные климатические параметры с учетом принятого коэффициента обеспеченности; составляют в дифференцированной форме математическую модель здания как единой энергетической системы. Разрабатывают метод решения полученной системы дифференциальных уравнений, ориентированный на использование ЭВМ; определяют методом математического моделирования на ЭВМ оптимальное соотношение между мощностью систем обогрева и охлаждением здания и его архитектурно-конструктивными теплозащитными показателями. Критерием для установления оптимального соотношения может быть минимум приведенных затрат дП/дМ=0, где П — приведенные затраты, М — параметры внутренней среды).
4.Системы вентиляции и кондиционирования
Системы вентиляции и кондиционирования могут выполнять одни и те же функции, например функции воздушного отопления.
Графическое изображение схем СКВ и вентиляции идентичны и могут иметь абсолютно одинаковые части систем, обеспечивающие удаление воздуха помещения.
Из вышесказанного следует, что назначение систем организованной вентиляции и кондиционирования одинаково (создание в рабочей зоне помещения определенного микроклимата, отвечающего санитарно-гигиеническим и технологическим требованиям, а также требованиям сохранности строительных конструкций, оборудования, материалов и изделий), но возможности этих систем разные.
В отличие от систем вентиляции СКВ в течение года, особенно в теплое время, в помещении могут поддерживать автоматически по программе необходимые или желаемые, постоянные или переменные параметры внутреннего воздуха независимо от метеорологических условий и от переменных поступлений в помещение различных вредностей.
Системы кондиционирования воздуха стоят значительно дороже систем вентиляции, а поэтому при организации воздухообмена в помещении стараются найти возможность в первую очередь применить систему вентиляции и только в особых случаях применяют СКВ.
В настоящее время в России системы кондиционирования воздуха применяют в производственных, общественных, сельскохозяйственных зданиях и в транспортных средствах.
В производственных помещениях СКВ применяют главным образом в промышленных предприятиях, где без нее невозможно получить продукцию, отвечающую требованиям стандартного качества (в цехах текстильной промышленности, на предприятиях искусственного волокна, точного машиностроения, в оптике, фото-, кино- и полиграфической промышленности, на заводах радио- и электротехнических изделий, в подземных производственных помещениях и в ряде других производств).
Применение кондиционирования также необходимо в ряде помещений больниц, торговых центров, предприятий общественного питания, в зрительных залах кинотеатров, театров и спортивных комплексов, в репетиционных и тренировочных залах, а также в административных зданиях и в гостиницах большой этажности, больших объемов и высокого класса обслуживания.
Все более широкое распространение-СКВ получают в сельском хозяйстве (птицеводческие фермы, хранилища сельскохозяйственной продукции, оранжереи).
Лекция 7
ОБЩАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ ВЕНТИЛЯЦИИ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ
Вопросы рассматриваемые в лекции
Вытяжная система
Системы с рециркуляцией
Вентиляционный воздух
Система аварийной вентиляции
Общая сводка вариантов систем вентиляции
В целом здания в зависимости от назначения и количества разноименных помещений могут отличаться большим разнообразием видов систем вентиляции.
По способу подачи и удаления воздуха системы вентиляции делят на приточные, вытяжные, приточно-вытяжные и системы с рециркуляцией.
Приточная система — система, с помощью которой забирают наружный воздух, обрабатывают в приточной установке или в кондиционере (см. гл. 2.5) и прямоточно подают в помещение. При этом в помещении создается избыточное давление, за счет которого воздух уходит через окна, двери, форточки наружу или в другие помещения, где давление воздуха ниже.
Приточная система применяется для вентиляции помещений, в которых нежелательны инфильтрация холодного воздуха или попадание загрязненного воздуха из соседних помещений, например фойе театра, вестибюль общественного здания.
Вытяжная система предназначена для удаления воздуха из помещения, при этом в помещении создается разряжение. Воздух соседних «чистых» помещений поступает в данное помещение или инфильтрует в него извне. Вытяжную систему применяют в тех случаях, когда вредности данного помещения не должны распространяться на соседние помещения, например помещения с кратковременным пребыванием людей и с небольшим количеством удаляемого воздуха: санузлы, курительные, душевые, а также помещения, требующие больших воздухообменов при химических и биологических выделениях вредностей.
В одних помещениях в зависимости от их назначения, вида и места выделения в них вредностей, требуется осуществить только вытяжку, в других — приток, а в третьих сразу и то, и другое. Приточно-вытяжные системы являются наиболее распространенными, так как они более полно удовлетворяют условиям создания нормативных параметров воздуха помещения. Как правило, производительность вытяжной части данной системы или равна производительности приточной, или составляет долю от нее. Это зависит от решения систем вентиляции помещений, прилегающих к данному. Например, чтобы исключить влияние на воздушную среду зрительного зала кинотеатра вредностей других помещений, количество удаляемого воздуха зала принимается в размере 80…90% от приточного.
Конструктивно приточную и вытяжную части системы решают в виде самостоятельных систем, но в то же время их воздействие на организацию воздухообмена и микроклимата помещения находится в зависимости друг от друга, например только при работе приточной системы будет работать эффективно бесканальная естественная вентиляция.
Системы с рециркуляцией (частичное подмешивание отработанного воздуха помещения к наружному, поступающему в приточную установку или кондиционер) применяются для снижения расхода теплоты в холодный период года или для снижения расхода холода в системах кондиционирования в теплый период года.
Существуют вентиляционные установки, работающие на полной рециркуляции воздуха помещения но они не создают необходимого воздухообмена, а эффект их действия заключается в создании повышенной подвижности, или они служат для до увлажнения воздуха помещения, или работают для воздушного отопления. По способу обеспечения метеорологических факторов помещения, по способу организации воздухообмена системы подразделяют на общеобменные, местные, смешанные и аварийной вентиляции.
Общеобменная вентиляция предназначена для создания средних метеорологических условий во всем объеме рабочей зоны помещений. Она применяется в том случае, когда вредные выделения поступают непосредственно в его воздух и когда рабочие места располагаются по всему помещению (не фиксированы в определенных границах).
Вентиляционный воздух, поступающий в помещение, распределяется в таких системах по возможности равномерно по всему его объему, где должен поглотить вредные выделения и быть удаленным из помещения. Количества подаваемого и удаляемого воздуха определяют из условий ассимиляции вредных выделений помещения до допустимых концентраций.
Система местной вентиляции применяется для обеспечения метеорологических факторов непосредственно на рабочих местах и фиксированных участках выделения вредностей производственных процессов.
При системе местной локализующей вентиляции устраивают укрытия машин, аппаратов или участков технологического процесса, от которых осуществляется вытяжка воздуха.
К системе местной приточной вентиляции относятся — воздушные оазисы и душирование рабочих мест, где выделяется много теплоты,— тепловые завесы для защиты помещения от прорыва холодного воздуха через различные открывающиеся проемы здания и др.
Смешанная система вентиляции является сочетанием элементов местной и общеобменной приточных или вытяжных систем. Например, локализующая система кинопроекционной удаляет теплоту кинопроекторов, а приточная часть системы этого помещения является общеобменной.
Система аварийной вентиляции обязательна для производств, в которых возможен внезапный прорыв вредных паров, веществ и газов. К аварийной вентиляции относится также противопожарная система дымоудаления лестничных клеток зданий повышенной этажности и высотных. Такая система включается автоматически или при достижении предельно допустимой концентрации вредных выделений, или при остановке одной из основных рабочих систем вентиляции, или при повышении температуры выше предельно установленного значения при возникновении пожара.
По способу побуждения движения вентилируемого воздуха помещения все перечисленные выше разновидности классификации систем вентиляции могут быть естественными с использованием гравитационного и ветрового воздействия на здание и механическими — с использованием побудителей движения (вентилятор, эжектор и др.). При этом вентиляционный воздух может транспортироваться через проемы в ограждениях — бесканальная вентиляция, или посредством системы каналов (камер, шахт) — канальная система вентиляции.
Общая сводка вариантов систем вентиляции (по В. Н. Богословскому). Варианты систем вентиляции могут применяться в следующих случаях:
I — приточная общеобменная канальная с механическим побуждением, в помещениях больших объемов общественных зданий (торговые и обеденные залы, залы заседаний и зрелищных зданий, жилые помещения гостиниц, основные помещения промышленных и агропромышленных зданий и зданий коммунального назначения;
II — приточная общеобменная бесканальная с механическим побуждением — в производственных помещениях с небольшим количеством работающих при отсутствии постоянных рабочих мест, для периодического проветривания помещений с избытком теплоты; в общественных зданиях в качестве дополнительной системы, работающей летом (зимой с подогревом с рециркуляцией); а также во вспомогательных помещениях промышленных зданий и зданиях коммунального назначения;
IV — приточная общеобменная (система «фрамуги — фонари») с естественным побуждением — аэрация, в помещениях зданий различного назначения, но со значительным избытком теплоты;
V — приточная местная канальная с механическим побуждением — на рабочем месте или в какой-либо определенной части производственного помещения и помещения коммунального назначения; VI — приточная (рециркуляционная местная бесканальная с механическим побуждением — для душирования рабочих мест в общественных, производственных помещениях и в помещениях коммунального назначения;
IX — вытяжная общеобменная канальная с механическим побуждением — в тех случаях, что и система варианта I, а кроме того, в сочетании с последней, как противодымная система лестничных клеток жилых зданий повышенной этажности;,
X — вытяжная общеобменная бесканальная с механическим побуждением — в производственных помещениях, в помещениях сельскохозяйственного и коммунального назначения, для увеличения вытяжки в жаркое время или как аварийная, для удаления вредных выделений; XI — вытяжная общеобменная канальная с естественным побуждением — в помещениях зданий различного назначения, чаще в жилых и административных, построенным не в жарком климате;
XII — вытяжная общеобменная бесканальная с естественным побуждением — в сочетании с системой варианта IV (аэрация), а кроме того, в сочетании с системой варианта I при условии избыточного давления воздуха помещения за счет преобладания количества воздуха системы варианта I над системой варианта XII;
XIII — вытяжная местная канальная с механическим побуждением — в помещениях производственного, коммунального и общественного назначения, там, где образование различных вредностей (станок, пресс, шкаф химической лаборатории и т. п.);
XV — вытяжная местная канальная с естественным побуждением— в тех случаях, что и система варианта I, но только в случае образования больших избытков теплоты (ресторанная плита и т. д.). При решении приточно-вытяжной или смешанной вентиляции возможны сочетания I—XI, V—XI, I—V—XV.
Наличие большого количества конструктивных решений систем вентиляции представляет возможность выбора для конкретного случая наиболее оптимальной системы.
Лекция 8
ЕСТЕСТВЕННАЯ И МЕХАНИЧЕСКАЯ ВЕНТИЛЯЦИЯ
Вопросы рассматриваемые в лекции
При естественной неорганизованной вентиляции перемещение воздуха помещения может быть под действием гравитационных сил и под действием ветра.
Из-за разности температур воздуха помещения и наружного воздуха или tB<tH) по обе стороны вертикальных ограждений помещения возникает разность давлений (РВ<РН или Рв> Рн). Разность давлений и отсутствие герметичности помещения (здания) вызывает перемещение воздуха или в одном направлении (при tВ> tн), или в другом (при tВ< tн). Чаще наружный воздух имеет температуру ниже, а значит, плотность выше, чем внутренний воздух помещения, а поэтому характерным является положительный перепад давлений ∆Р = (Рн — Рв)>0 и, как следствие,— движение наружного воздуха в нижнюю зону помещения. А так как нагретый более легкий воздух помещения стремится занять верхнее положение, возникает естественное гравитационное движение воздуха помещения (здания) снизу вверх. Вследствие этого давление воздуха в зоне пола помещения получается ниже, а в зоне потолка — выше наружного давления. Из-за циркуляции воздуха помещения возникает область (плоскость) равных давлений, называемая нейтральной зоной. Ниже области равных давлений в помещении образуется зона разряжения (зона инфильтрации наружного воздуха), а выше — зона подпора (зона эксфильтрации внутреннего воздуха помещения). При увеличении разряжения область равных давлений смещается вверх, а при увеличении подпора — вниз.
Устройство проемов (форточек, фрамуг, фонарей, окон и дверей) в ограждениях нижней и верхних зон помещения способствует гравитационному движению, а устройство проемов в плоскости равных давлений не влияет на движение.
Разность давлений столбов наружного и внутреннего воздуха, возникающих за счет гравитационных сил, называется тепловым естественным напором (АР) и выражается уравнением (кг/м2 или Па)
∆Р = Рн — Рв = hрн — hрв = р(рн — рв),
∆P = gh(py-pB),
где h — высота столбов воздуха наружного или внутреннего, м; рн, рв — плотность наружного и внутреннего воздуха, кг/м ; g = 9,81 м/с2 — свободное ускорение движения.
В расчетном режиме плотность воздуха помещения принимают при температуре, нормируемой для холодного периода года, а плотность наружного воздуха, равной его плотности при температуре +50С.
При динамическом воздействии ветра с наветренной стороны здания создается повышенное давление, а с заветренной — разряжение.
При устройстве отверстий в наружных вертикальных ограждениях можно организовать приток с наветренной стороны, а для удаления воздуха помещения — с заветренной. При этом количество воздуха приточного и вытяжного будет зависеть от многих факторов, а именно,— от направления и скорости ветра, температуры, от конфигурации здания и расположения его среди других строений.
Давление воздуха помещения, подверженного воздействию ветра, но при отсутствии гравитационного давления (рв = рн), как с наветренной, так и с заветренной сторон по всей высоте помещения является одинаковым.
Перед открыто стоящим зданием при воздействии на него ветра образуется область повышенных по сравнению с атмосферным давлений (подпор), имеющая ширину около пяти высот здания при длине, равной длине здания.
Одновременно за зданием образуется аэродинамическая тень — область пониженных давлений (разряжение), имеющая ширину около шести высот здания. Здание, окруженное другими строениями, может оказаться в аэродинамической тени, т. е. в зоне разряжения.
Естественная организованная вентиляция может осуществляться под действием теплового напора (∆P), под действием ветрового напора (Pv) или под их совместным действием
(Hест = (∆P + Pv)
Естественная организованная вентиляция — это или аэрация, или канальная система.
Аэрация происходит за счет совместного действия гравитационного и ветрового давления и осуществляется посредством специальных открывающихся проемов, предусмотренных в стенах (летние и зимние фрамуги) и в крышах здания (фонари). Приток организуется в нижнюю зону помещения через фрамуги (летом — через все, а зимой — через верхний ряд с наветренной стороны), а вытяжка — из верхней зоны помещения через фонари с заветренной стороны. Нижний ряд фрамуг проектируется на высоте 0,5…2,0 м, а верхний — 4,0…6,0 м.
Так как аэрация не обеспечивает подогрева вводимого в помещение наружного воздуха, она проектируется для помещений с большими теплоизбытками (литейные, термические, прокатные, мартеновские цеха, кузницы и котельные) круглогодичного действия, а для помещений, где тепловыделения незначительны,— периодического действия,— только для летнего периода. В помещениях со значительными выделениями пыли и газа аэрация не допускается.
Открывание створок фрамуг и фонарей должно быть механизировано. Для обеспечения устойчивого режима аэрации площадь открывающихся створок фонарей проектируют на (20…40) % меньше площади фрамуг.
В многопролетных цехах шириной до 70 м аэрацию решают с чередованием в цехах «горячих» и «холодных» зон разной высоты. Вытяжку организуют из «горячих» высоких пролетов, а «опрокинутый» приток — через фонари в «холодные» пролеты.
В вытяжных канальных системах вентиляции устраивают шахты — вытяжные трубы. От атмосферных осадков трубы защищают зонтами. Действие ветра с направлением его ближе к вертикальному положению при устройстве зонтов может вызвать «опрокидывание» вытяжки. Для эффективности естественной вентиляции, устья вытяжных шахт, некоторых естественных систем вместо зонтов снабжаются специальными насадками — дефлекторами (флюгерами), что позволяет дополнительно к гравитационному напору использовать напор ветра и предохранять помещение от попадания дождя и снега. Разряжение, образующееся вокруг обечайки дефлектора, создает тягу в шахте при любом направлении ветра. Наиболее распространены дефлекторы конструкции ЦАГИ.
В естественных канальных системах вентиляции воздух поступает в помещение или удаляется из него посредством специальных каналов (воздуховодов).
Естественные напоры. Так как при определении теплового напора вытяжной вентиляции помещения плотность наружного воздуха принимается в соответствии со значением температуры наружного воздуха 5 °С, а поэтому из-за малой разницы величин (рн —рв), а значит — малого значения теплового напора (действие ветра — периодическое), горизонтальная протяженность системы (радиус действия) ограничивается (предел 8м).
Естественные канальные системы вентиляции применяют в помещениях с небольшими расчетными кратностями воздухообмена (не более 3 в кухнях, ванных и туалетных комнатах жилых зданий) и при малых скоростях движения вентиляционного воздуха по каналам систем, в помещениях объекта, строящегося не в жарком климате.
В системах механической вентиляции и воздушного отопления, а также в системах кондиционирования воздуха искусственное перемещение воздуха осуществляется вентилятором, приводимым в движение электродвигателем.
Напор воздушного потока механической системы (НМех, Па)
Нмех = Нвент + Нест,
где Нвент — напор, развиваемый вентилятором, Па; Нест — естественный напор системы, создаваемый тепловые и ветровым воздействиями, Па.
При механической вентиляции воздух может быть подан (или удален; к рабочим местам, а также в определенные зоны помещения в требуемых количествах со скоростью, соответствующей частным условиям. Вводимый или удаляемый воздух может быть подвергнут определенной обработке: очистке, нагреву, охлаждению, осушке, увлажнению. При механическом удалении обеспечивается локализация вредностей из мест их выделения и не допускается не только их распространение в помещении, но порой и выброс в воздушный бассейн здания.
Механическая вентиляция может обеспечить помещение большим, независящим от метеорологических условий, регулируемым воздухообменом; может иметь большой радиус действия — до 50 м (чаще в общественных зданиях), а в некоторых промышленных зданиях до 200 м, там, где уровень производственного шума превышает уровень шума, создаваемого мощной вентиляционной установкой (прессовые отделения, кузнечные и механические цеха).
Скорости движения потоков в механической вентиляции (приводятся в специальной литературе) значительно отличаются от скорости в естественной вентиляции.
Механическая вентиляция одновременно вместе с улучшением состояния воздушной среды помещения может решать и производственные технологические задачи.
При сравнении механической и естественной вентиляций к недостаткам первой относятся: сложность устройства системы, требующей дополнительных установок и специалистов высокой квалификации для их эксплуатации; необходимость звукоизоляции вентиляционных установок и устройства шумопоглотителей; зависимость работы системы от систем энергоснабжения, теплоснабжения и водоснабжения; значительная стоимость сооружения и эксплуатации систем.
В связи с перечисленным выбор механических систем в проектном решении должен быть обоснован.
Вентиляторы различают по конструктивному решению: осевые и центробежные. Они изготовляются из стали.
По развиваемому давлению центробежные вентиляторы бывают низкого давления (до 1000 Па), среднего (1000…3000 Па) и высокого (3000… 12000 Па).
Осевые вентиляторы обеспечивают перемещение сравнительно больших объемов воздуха, но при небольшом развиваемом давлении. Они бывают только низкого давления (до 500 Па), а по созданию направления движения воздушного потока — реверсивными и нереверсивными.
Разновидностью осевого и центробежного вентиляторов является крышный вентилятор, который монтируют на кровле здания в вытяжных шахтах механических систем вентиляции. Крышные вентиляторы создают вертикальный поток воздуха. Их установка компактна.
Направление выпуска воздуха, создаваемое центробежным вентилятором, может быть различным и приниматься при компоновке оборудования установок системы.
Для установки вентиляторы подбирают по аэродинамическим характеристикам. Характеристика вентилятора: производительность L (м3/ч), напор Нвент (Па) и коэффициент полезного действия КПД зависят от количества оборотов ротора. При совпадении требуемого числа оборотов вентилятора и электродвигателя целесообразно их соединение посредством вала (компактное), а при разных значениях — посредством ременной передачи — необходима их установка на разных основаниях, но она более сложная.
Лекция 9
СИСТЕМА КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА
Вопросы рассматриваемые в лекции
Центральные кондиционеры
Производительность типовых центральных кондиционеров
Местные кондиционеры
Зональные системы
Принцип действия эжекционных доводчиков
В состав системы кондиционирования воздуха (СКВ) могут входить: воздухоприготовительное устройство (кондиционер), сеть воздухопроводов, сетевое оборудование (воздухораспределители, доводчики, воздушные заслонки, средства регулирования, включая автоматические), воздухозаборные и рециркуляционные устройства и холодильное оборудование для приготовления среды, питающей кондиционер.
Разновидности СКВ определяются необходимым наличием перечисленных составляющих СКВ, для осуществления того или иного процесса обработки воздуха, а также конструктивным решением кондиционеров и их расположением относительно обслуживаемого помещения. Количество различных видов СКВ велико.
Комфортное кондиционирование воздуха предназначено для создания микроклиматических условий, оптимальных для жизнедеятельности людей, животных, т. е. условий, способствующих производительности, продуктивности, а также снижению их заболеваемости.
Технологическое кондиционирование призвано обеспечивать условия, необходимые для ведения технологических процессов. При этом параметры подготавливаемого воздуха и его состав регламентируются требованиями технологических процессов и не выходят за пределы санитарно-гигиенических норм.
Как комфортные, так и технологические СКВ по характеру связи с обслуживаемым помещением делятся на центральные и местные и оборудуются соответственными кондиционерами.
Центральные кондиционеры могут обслуживать одно большое помещение (цех, зрительный или спортивный зал) или ряд мелких помещений (номера гостиницы, артистические уборные театра, кабинеты административного здания). В центральных СКВ кондиционеры устанавливают вне обслуживаемых помещений, в специальных приточных камерах. В редких случаях центральные кондиционеры ставятся непосредственно в обслуживаемых цехах. Когда технологический шум перекрывает шум, создаваемый установкой СКВ.
Местные кондиционеры могут обслуживать одно небольшое помещение (рабочий кабинет, лаборатория, театра, комментаторская кабина) и размещаются, как правило, в нем.
Иногда местные кондиционеры размещаются непосредственно на рабочем месте обслуживаемого помещения для создания микроклимата в ограниченной зоне.
Центральные кондиционеры выпускаются промышленностью посекционно и монтируются на месте из основных секций, предназначенных для обработки воздуха; из промежуточных секций, предназначенных для соединения и обслуживания во время эксплуатации основных секций, а также из вентиляционных агрегатов, предназначенных для транспортировки воздуха. Монтируются центральные кондиционеры в виде горизонтальной или угловой (поворотной) сборки, перечисленных выше элементов.
Производительность типовых центральных кондиционеров, выпускаемых промышленностью России, составляет 10…40 тыс. м3/ч — средних и 50…250 тыс. м3/ч — больших, а их максимальные габариты (ширина, высота, длина, м) соответственно — от 1,3X0,8X10,0 до 5,0X4,8X20,0.
По принципу действия СКВ делят по технико-экономическим и технологическим показателям на прямоточные, работающие на наружном воздухе; рециркуляционные (замкнутые), как правило, технологического назначения, работающие только на воздухе помещения, и комбинированные, работающие на смеси в определенной расчетной пропорции наружного и рециркуляционного воздуха.
Принципиальная схема центрального кондиционера, работающего по комбинированной схеме (с первой и второй рециркуляцией). Наружный воздух в таком кондиционере вначале поступает в первую камеру центрального кондиционера для смещения с рециркуляционным воздухом помещения, затем, пройдя воздушные фильтры, его смесь подогревается в калориферах первой ступени (частично проходит через обводной клапан), поступает в форсуночную камеру орошения, оборудованную сепараторами — каплеуловителями, форсунками, поддоном, насосом и оборудованием для подготовки форсуночной воды. По выходе из оросительной камеры воздух смешивается с воздухом второй рециркуляции, фильтруется, подогревается в теплообменниках второй ступени (или охлаждается), нагнетается вентиляционным агрегатом в сеть каналов и подается в кондиционируемое помещение.
При работе кондиционера в зимнем режиме в камере орошения воздух увлажняется, а при работе в летнем режиме — осушается и охлаждается путем пропуска его через ту же камеру, но при условии специальной подготовки холодной среды с температурой ниже температуры насыщения.
Центральные кондиционеры имеют снабжение теплотой (калориферы) и холодом (камеры орошения и воздухоохладитель) от систем центрального теплоснабжения и холодоснабжения, т. е. неавтономное.
Местные кондиционеры — оконного, подоконного, шкафного вида — выпускаются промышленностью России целыми агрегатами в собранном виде или из двух-трех укрупненных блоков производительностью 0,24… 18,0 тыс. м3/ч.
В местных автономных кондиционерах источник получения холода для обработки воздуха находится в самом кондиционере, а в неавтономных холод получают, как и в центральных кондиционерах, централизованным путем от холодильной станции — общей для всех установок.
Охлаждение конденсатора холодильных машин местных автономных кондиционеров — воздушное или водяное. Кондиционеры с воздушным охлаждением устанавливают у наружных стен с забором наружного воздуха. Кондиционеры с водяным охлаждением автономны в части хладоснабжения (охлаждающая вода подается в них извне).
Отечественная промышленность выпускает автономные местные кондиционеры как общепромышленного и бытового применения, так и специализированные (для подъемных кранов, вычислительных центров, операционных палат и др.).
В неавтономных шкафах-кондиционерах типа КНУ-7,5, КНУ-12, КНУ-18 соответственно производительностью 7,5; 12 и 18 тыс.м3/ч принципиальные схемы обработки воздуха идентичны с центральными.
Однозальная, одноканальная СКВ обслуживает одно помещение. Для обслуживания сразу нескольких помещений одного или разного назначения или помещения многозального (зрительный зал со сценой и оркестровой) и многоярусного (многоярусный зал театра) существуют СКВ многозальные, одно- или двухканальные со смесителями и доводчиками.
В таких системах центральная часть СКВ готовит воздух до определенной температуры и заданного расчетного влагосодержания, а зональные установки, расположенные в помещениях или на входе воздуха в них, производят или смешение воздуха, подаваемого центральной частью системы с воздухом помещения, или последующий подогрев (охлаждение) перед выпуском его в жилое помещение или в рабочую (обслуживаемую) зону (административные кабинеты, номера гостиницы).
Зональные системы с изменением количества воздуха автоматически уменьшают или увеличивают приток в зависимости от повышения или понижения температуры помещения.
В зональных системах с подогреванием или доохлаждением воздуха эффект достигается при помощи специальных доводчиков. В каждое помещение, обслуживаемое СКВ, воздух от центрального кондиционера подается в помещение или в его зону через теплообменный агрегат — доводчик.
В двухканальных системах воздух подается в каждое помещение (или зону) по двум воздуховодам. В одном воздуховоде воздух проходит через дополнительный подогреватель, а Б другом — через доохладитель. Перед выпуском в помещение теплый и холодный воздух смешиваются.
Доводчиками СКВ могут являться эжекционные кондиционеры со щелеобразными или перфорированными соплами, устанавливаемые в подоконной части помещения или под потолком.
Принцип действия эжекционных доводчиков заключается в следующем. Наружный воздух, подготовленный в центральном кондиционере, вентилятором подается к каждому доводчику. Воздух поступает по воздуховодам малого поперечного сечения с большой скоростью. Первичный подготовленный воздух проходит через щелеобразные или перфорированные сопла — форсунки. Благодаря действию струи первичного воздуха осуществляется подсос воздуха из помещения. Количество подсасываемого воздуха в несколько раз превышает количество первичного воздуха. Подсасываемый (рециркуляционный) воздух поступает в смесительную камеру агрегата, пройдя фильтр (у доводчиков с перфорированными соплами) и поверхностный теплообменник, в котором циркулирует горячая или холодная вода. В смесительной камере обработанный рециркуляционный воздух смешивается с первичным при этом нагревается или охлаждается и потоком вверх снова поступает в помещение.
Многозальные многотрубные СКВ гибки в эксплуатации, наиболее точно поддерживают заданные параметры воздуха помещений, но являются дорогими и сложными.
Лекция 10
ВОЗДУХОПОДГОТОВКА В СИСТЕМАХ ВЕНТИЛЯЦИИ, ВОЗДУШНОГО ОТОПЛЕНИЯ И КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ
Вопросы рассматриваемые в лекции:
Атмосферный воздух — влажный. Его состав: смесь сухих газов (78,13% азота; 20,9% кислорода; 0,94% инертных газов — аргон, неон и др.; 0,03% углекислоты — по объему) и водяных паров (количество последних в основном зависит от температуры).
Состояние воздушной среды характеризуется следующими параметрами: давлением Р (Па), температурой t (°С), влажностью d (кг/кг сух. возд.— абсолютная) и ф (%—относительная), теплосодержанием l (кДж/кг сух. возд.— энтальпии), плотностью р (кг/м3), удельной теплоемкостью с (кДж/кг сух. возд., °С). Зависимость пяти первых из перечисленных параметров наглядно выражена l—d-диаграммой влажного воздуха, предложенной в 1918 г. профессором Л. К Рамзиным. Пользуясь l — d-диаграммой, можно легко определить по двух любым заданным параметрам остальные, а также можно решить, минуя сложные и трудоемкие аналитические вычисления, ряд практических задач, связанных с воздухоподготовкой.
Воздухоподготовкой в системах вентиляции, воздушного отопления и кондиционирования называют процессы изменения состояния воздушной среды с целью доведения ее до кондиции соответствующих технологическим и санитарно-гигиеническим требованиям, заключающиеся в нагреве, охлаждении, осушке, увлажнении, очистке. Вохдухоподготовка (обработка воздуха) производится в элементах приточных, вытяжных установок и кондиционеров.
Очистка и нагревание воздуха могут осуществляться во всех перечисленных установках, а охлаждение, увлажнение и осушка, дезодорация, ионизация только в кондиционерах.
Изменение температуры и влажности воздуха можно осуществить с помощью поверхностных теплообменников и промывных камер; в контакте со средой, обрабатывающей воздух, а также путем смешения наружного воздуха с рециркуляционным.
Обработка воздуха в поверхностных теплообменниках — в калориферах, воздухоохладителях, утилизаторах теплоты — осуществляется средой: теплоносителем (паром, водой, газом, электричеством, воздухом) при нагревании или хладоносителем (водой), хладоагентом при охлаждении.
При обработке воздуха в поверхностных теплообменниках получают сухой нагрев или сухое охлаждение, так как воздух не контактирует с теплопередающей средой, а теплопередача осуществляется через металлическую поверхность теплообменника. Передача теплоты в теплообменниках от рабочей среды к воздуху (при нагреве) или наоборот (при охлаждении) происходит при неизменном влагосодержании.
Тепловая мощность Q (кВт) процессов нагревания или охлаждения воздуха посредством теплообменников «пренебрегая незначительным расходом теплоты на нагревание водяных паров) выражается формулой
Q = Lcq(t1-t2),
где L — количество воздуха, м3/ч, пропускаемого через теплообменник; t1 и t2 — температура воздуха до и после теплообменника, °С.
Калориферы — стальные и оцинкованные паровоздушные или водовоздушные теплообменники, применяемые в основном для сухого нагрева.
Поверхность калориферов — пучки труб гладких или оребренных (навивные спирали, пластины). Через коллектор, объединяющий трубочки, теплоноситель поступает и отводится из калорифера.
Для обработки расчетного количества воздуха от температуры t\ до гг могут потребоваться несколько калориферов и тогда их размещают и питают теплоносителем по последовательной или параллельной схеме движения воздуха и теплоносителя.
Стальные калориферы рассчитаны на рабочее давление 1,2 Па. По движению теплоносителя они подразделяются на одноходовые для пара (КП) и многоходовые (обычно четыре хода) для воды (KB) и каждые из перечисленных бывают двух моделей: средние (С) глубиной 120 мм и большие (Б) глубиной 220 мм. Каждая модель калорифера общепромышленного применения имеет несколько номеров, отличающихся друг от друга габаритами, а значит, и поверхностью нагрева. Как правило, одноходовые калориферы, работающие на теплоносителе воде или паре, устанавливают вертикально, а многоходовые, работающие на воде,— устанавливаются горизонтально.
В естественных системах вентиляции, где оборудование должно создавать наименьшее сопротивление воздушному потоку, применяют гладкие калориферы или сконструированные по месту установки из отопительных нагревательных приборов (радиаторы, ребристые трубы).
Для нагрева воздуха кроме паровоздушных, водовоздушных калориферов используют электрокалориферы с регулируемым электронагревом и огневоздушные кирпичные калориферы, работающие на топочных газах. Огневоздушные калориферы очень громоздки. В настоящих условиях они применяются редко, чаще восстанавливаются при реконструкции старых зданий—памятников (храмы, музеи).
В приточных установках и в кондиционерах калориферы монтируют на специальных подставках (высотой 450 мм).
Так как поверхность нагрева при установке типовых калориферов принимается с запасом на 10…20%, для получения расчетного значения температуры воздуха, как правило, установка калориферов снабжается обводным клапаном. Клапан монтируют над калорифером или сбоку, и степень его открытия (вручную — в системах вентиляции, автоматически — в СКВ) определяется требуемой температурой смеси.
Поверхностные воздухоохладители — аппараты, применяемые в СКВ помещения и технологических процессов. Они служат для охлаждения и осушки воздуха.
Конструктивное решение воздухоохладителя повторяет принцип устройства калорифера, но для охлаждения воздуха в них циркулирует или хладоноситель (холодная вода, рассолы) или хладоагент (аммиак, фреон и др.). Воздухоохладители, питаемые хладоагентами, являются испарителями холодильных установок СКВ.
Процесс охлаждения воздуха с осушкой достигается тем, что подготовленным хладоносителем обеспечивается температура теплообменной поверхности воздухоохладителя ниже температуры точки росы обрабатываемого воздуха. В этом случае в контакте с холодной поверхностью, влага воздуха конденсируется. Такое охлаждение воздуха называется с влаговыделением и сопровождается его осушкой.
При процессе охлаждения воздуха, протекающим с осушкой, требуется отводить больше теплоты, чем без осушки, так как затрачивается теплота на парообразование при конденсации влаги.
Воздухоохладители с хладоагентами широко применяются в автономных местных кондиционерах, а воздухоохладители, питаемые холодной водой или рассолом, могут входить в состав центральных и местных неавтономных кондиционеров. Конденсат, выпадающий в воздухоохладителях во время сушки, стекает из его кожуха через отвод в систему канализации.
При пропуске через воздухоохладитель теплоносителя, он может работать как калорифер, что является достоинством этого типа теплообменника.
Во многих зданиях, оборудованных системами приточно-вытяжной вентиляцией, воздушным отоплением или СКВ, большая доля потребной тепловой энергии расходуется на нагрев холодного воздуха, забираемого системами снаружи. Вместе с тем в этих системах теряется очень большое количество теплоты в атмосферу с удаляемым из помещений воздухом, имеющим температуру порядка 22… 24 °С. Теплообменники-утилизаторы теплоты удаляемого воздуха помещения сравнительно недавно начали применять для подогрева наружного воздуха приточной установки или кондиционера. В настоящее время в практику строительства внедрены многие виды утилизаторов. В настоящей главе в качестве примера рассмотрены лишь теплообменники с тепловыми трубами, а также теплообменники рекуперативные стационарные и вращающиеся.
В теплообменниках с тепловыми трубами передача теплоты холодному наружному воздуху происходит при фазовом превращении теплоносителя. Они представляют собой пакеты из трубок, заполненных рабочим веществом с низкой температурой кипения (гелий, азот, аммиак, ацетон, ртуть, литий и др.). Одна половина пакета находится в потоке удаляемого воздуха, в другая — в зоне холодного. В зоне теплого воздуха происходит подвод теплоты удаляемого воздуха помещения к среде, заполняющей тепловые трубы. Среда испаряется, отбирая на парообразование теплоту удаляемого воздуха помещения. Пар рабочего вещества за счет гравитационных сил перемещается в трубках в зону холодного воздуха, где, отдавая теплоту, нагревает холодный воздух, а сам конденсируется. Размеры таких теплообменников примерно 1,6X1.0X0,13 (глубина) м.
В рекуператорных стационарных утилизаторах теплообмен осуществляется через разделительные стенки между холодными и теплыми потоками воздуха. Разделительные стенки — набор пластин гладких или гофрированных из алюминия, бумаги (толщиной 0,25 мм или толщиной 0,45 мм).
В рекуперативных вращающихся утилизаторах, теплоаккумулирующая насадка ротора, вращающегося в корпусе теплообменника от электропривода (10… 12 об/мин), проходя через поток воздуха, удаляемого из помещения, воспринимает теплоту, а затем 60…80% теплоты передает холодному воздуху, пересекая его поток и нагревая.
Утилизаторы теплоты могут размещаться в вентиляционных камерах или на открытых перекрытиях, но с условием теплоизоляции. Экономия тепловой энергии в год с их помощью может 
составлять примерно до 80 т условного топлива.
В камерах орошения(промывочные камеры) обработка воздуха производится средой: паром, горячей водой или холодной водой (рис. 2.17).
Результаты обработки зависят от сочетания начальных параметров воздуха и среды, а также от интенсивности орошения воздуха этой средой.
Камера орошения является составной частью кондиционера. Корпус с поддоном камеры орошения изготовляют из листовой стали толщиной 4…5 мм, а при больших размерах кондиционеров—из железобетона. Стальные камеры имеют внутри антикоррозионное покрытие, а снаружи — теплоизоляцию; железобетонные камеры внутри покрываются метлахской плиткой по Гидроизоляции. Камеры бывают горизонтальные и вертикальные.
Камеру оборудуют системой трубопроводов с медными, бронзовыми или пластмассовыми форсунками, расположенными на стояках. Вода, подаваемая под давлением, распыляется форсунками.
Для улавливания неиспарившихся капель воды, находящихся во взвешенном состоянии, на входе и выходе камеры орошения устанавливают сепараторы — каплеотделители. Сепараторы монтируют из пластин (оцинкованная сталь толщиной 0,75 мм) зигзагообразной формы, образующих каналы той же формы, шириной 25…50 мм. Благодаря зигзагообразному движению воздуха капли воды, ударяясь о плиты, оседают на их поверхности и стекают в поддон, где собираются вместе с неиспарившейся водой.
Из поддона камеры вода частично сбрасывается в канализацию (редко полностью) и столько же добавляется до контрольного уровня поддона системой водоснабжения кондиционеров, затем фильтруется (сетчатыми, гравийными или коксовыми фильтрами) и снова подается рециркуляционными насосами в систему форсунок.
При обработке воздуха паром или перегретой водой, которая при выпуске в камеру из-за изменения давления превращается сразу в пар, воздух не только увлажняется, но и нагревается.
При обработке воздуха водой с температурой ниже температуры воздуха в зависимости от значения этой температуры в одном случае может произойти увлажнение с охлаждением при постоянном теплосодержании воздуха, в другом случае — то же самое, но с изменением всех параметров, а в третьих — осушка с охлаждением. Осушка с охлаждением воздуха в промывной камере происходит при контакте с водой, температура которой равна или ниже температуры точки росы влаги воздуха.
В качестве теплоносителя калориферов и промывных камер при нагреве воздуха может использоваться теплоноситель (пар, вода) любого источника теплоснабжения (местного, центрального, централизованного), в качестве хладоносителя воздухоохладителей и промывных камер может использоваться вода из артезианских скважин, если она имеется в зоне строительства; вода, взятая непосредственно из водопроводной сети; а также водопроводная вода искусственного охлаждения в холодильных установках.
Возможна осушка воздуха при его контакте с сорбентами. Сорбенты — вещества, обладающие способностью при соприкосновении с воздухом поглощать и удерживать в себе значительное количество газов и паров (алюмогель, силикагель, растворы хлористого лития, хлористого кальция, бромистого лития и др.).
Очистка воздуха от пыли может осуществляться: перед подачей наружного воздуха в вентилируемое помещение; при подмешивании к наружному воздуху рециркуляционного воздуха помещения; перед выбрасыванием загрязненного воздуха помещения в атмосферу.
Забор наружного воздуха стремятся организовать в первую очередь из чистой зоны, однако бывает этого недостаточно и чаще применяют специальную очистку воздуха.
Все обеспыливающее оборудование по назначению подразделяется на пылеуловители — устройства, предназначенные для очистки от пыли вентиляционного воздуха, выбрасываемого в атмосферу; и фильтры — устройства, предназначенные для очистки от пыли приточного или рециркуляционного воздуха в приточных системах вентиляции, в системах воздушного отопления и в СКВ. Классификация и характеристика пылеуловителей и фильтров приведена в специальной литературе. Очистку воздуха, удаляемого из помещения, устраивают в целях предохранения атмосферного воздуха от загрязнения производственной пылью или с целью задержания и сбора пыли, представляющей собой ценность (цементная, мукомольная, кондитерская).
Для очистки воздуха от пыли применяют устройства грубой, средней и тонкой очистки воздуха. Степень очистки воздуха характеризуется конечным пылесодержанием в 1 м3 воздуха. При грубой очистке задерживается крупная и средняя пыль (размером более 100 мк), при этом конечное пылесодержание воздуха не ограничивается. Такая очистка может рассматриваться, как предварительная для сильно запыленного воздуха при многоступенчатой очистке. При средней очистке задерживается сравнительно мелкая пыль (до 100 мк) при этом конечное пылесодержание не должно превосходить 100 кг/м Тонкой очисткой, при которой задерживается очень мелкая пыль (до 10 мк), конечное пылесодержание в воздухе приточных и рециркуляционных систем доводится до 2 мг/м
Эффективность пылеулавливания оценивается по весу задержанной пыли, выраженной в процентах от общего количества пыли, поступающей в пылеуловитель. Если требуемый эффект достигается одним пылеочистителем, очистка называется одноступенчатой. При большой запыленности вслед за первой ступенью уловителей ставится другая ступень и тогда очистка называется многоступенчатой.
Наиболее простой и эффективный способ очистки воздуха водой в камеpax орошения совместно с процессами увлажнения или осушки воздуха. Однако некоторая пыль (сажа, уголь не поддаются смачиванию.
Дезодорация, дезинфекция и ионизация воздуха могут производиться в СКВ. Для очистки воздуха от запахов, газов и парообразных загрязнений, а также для придания ему свежести, при дезодорации в СКВ (с рециркуляцией) применяются поглотители из активированного древесного угля, входящие в состав угольных фильтров. Активированный уголь поглощает 95% химически вредных к других веществ. Время действия поглотителя составляет от 6 мес до 2 лет и зависит от степени загрязнения воздуха. После пользования уголь генерируется.
Аэроионизация придает воздуху ряд ценных свойств. Под действием радиоактивных излучений, радиоактивного распада веществ, содержащихся в строительных конструкциях здания, в воздухе помещения возникают легкие отрицательные ионы и тяжелые — положительные. Отрицательные и положительные ионы образуют подвижные молекулярные комплексы, несущие элементарные за ряды, нарушающие комфортные условия помещений. При отсутствии людей в помещении концентрации в легких отрицательных ионов приближается к показателям наружного воздуха; при появлении людей увеличивается концентрация тяжелых ионов, уменьшается концентрация легких; с уходом людей — режим восстанавливается. Установлено, что физиологическое действие кислорода воздуха определяется не просто его концентрацией, а концентрацией его легких отрицательных ионов. Ионизация воздуха не исключает очистку, нагрев, охлаждение и увлажнение. Увеличение воздухообмена не восполняет количества отрицательных ионов. Один из способов ионизации воздуха — получение отрицательных ионов кислорода воздуха при выбросе в него электронов с отрицательно заряженных металлических остриев, к которым подведен ток высокого напряжения (25…40 кВт). При ионизации аэроионы заряжают и перезаряжают пылинки и микроорганизмы до определенного потенциала, вынуждая их быстро оседать на поверхности ограждающих конструкций.
За рубежом осуществляется выпуск кондиционеров с ионизирующими устройствами.
Дезинфекция воздуха, содержащего патогенные (болезнетворные) микроорганизмы, достигается ионизацией, ультрафиолетовыми лучами бактерицидных ламп (в операционных, в перевязочных) и путем нагрева удаляемого воздуха помещения электронагревателями или дымовыми газами.
Лекция 11
ОРГАНИЗАЦИЯ ВОЗДУХООБМЕНА ПОМЕЩЕНИЯ
Вопросы рассматриваемые в лекции:
Решение схемы системы воздухообмена помещения
Расположение отверстий7
Выбор схемы воздухообмена
Схема воздухообмена «сверху вверх»
Схема с нижней подачей воздуха
Работа системы в режиме воздушного отопления
Задача создания в обслуживаемой (рабочей) зоне помещения воздушной среды определенных параметров не ограничивается вопросами необходимой обработки воздуха в приточных камерах, даже при автоматизированных ее установках. Важным вопросом в формировании комфортных условий является распределение в помещении подготовленного воздуха, т. е. решение схемы рационального расположения приточных и вытяжных устройств. Эти устройства должны обеспечить процесс переноса определенного количества воздуха, для омывания свежим воздухом обслуживаемой зоны помещения, для эффективной локализации и ассимиляции выделяющихся вредностей и тем самым для обеспечения зоны обслуживания помещения средних расчетных значений заданных параметров.
Высокое качество распределения воздуха в объеме помещения обеспечивается синтезом технологических инженерных и архитектурных средств. Большей частью устройства для распределения воздуха включают в интерьер самых ответственных помещений объекта и часто резко снижают его эстетические свойства (достоинства). В помещениях малых объемов, требующих малых воздухообменов, как правило, бывает по одному приточному и вытяжному устройству (порой — по одному из них) простых форм и незначительных размеров. В помещениях больших объемов устройства распределения воздуха представляют собой сложную систему, состоящую из сети каналов, транспортирующих воздух, снабженных приточным и вытяжным устройствами принятой формы, расчетных размеров и количеств.
Решение схемы системы воздухообмена помещения — сложная задача, так как характер и скорость перемещения ее воздуха зависят одновременно от многих факторов: от вида выделяющихся вредностей и степени равномерности их выделения в помещении; от разности температур воздуха приточной струи и помещения; от скорости и количества воздуха; от степени загромождения помещения оборудованием, людьми, животными, от подвижности работающих агрегатов технологических линий, транспортных средств, людских потоков и в том числе — от места расположения и конструктивного решения приточных и вытяжных устройств помещения. Последний фактор определяет главную взаимосвязь с архитектурно-строительным проектированием.
Решение схемы системы воздухообмена базируется в основном на закономерностях движения приточных струй, а не вытяжных, и поэтому — на конструктивном решении приточных устройств.
Приточная струя воздушного потока — компактная и дальнобойная, выходя из отверстия, расширяется, вовлекая (эжектируя) в циркуляцию большое количество окружающего воздуха, при этом скорость струи затухает, а факел ее размывается. Область действия ее значительно больше области действия всасывающей струи у вытяжного отверстия. В отличие от приточного к вытяжному отверстию воздух из помещения равномерно притекает со всех сторон. Даже при значительной скорости всасывания уже на небольшом расстоянии от вытяжного отверстия не наблюдается заметного движения воздуха. По этой причине для эффективной местной вытяжки над выделяющейся вредностью ее воздухоудаляющее устройство должно располагаться как можно ближе к источнику вредности. Скорость воздуха в вытяжных устройствах не оказывает существенного влияния на скорость движения воздуха помещения, но положение вытяжного отверстия влияет на характер воздушных потоков.
Анализ наглядно показывает влияние мест расположения приточных и вытяжных отверстий на формирование воздушных потоков, изученных на моделях помещения, при изотермических условиях, т. е. при равных температурах приточной струи и воздуха помещения.
В модели помещения, где отверстия расположены на одной оси друг против друга, при балансе сосредоточенного притока и вытяжки, только 16% перемещаемого воздуха направляется в вытяжное отверстие, а остальные 84%, образуя обратный поток, циркулируют по помещению, питая приточную струю смесью воздуха. Увеличение расстояния между этими отверстиями способствует омыванию свежим воздухом всего помещения, а уменьшение влечет за собой направленное движение приточной струи к вытяжному отверстию. Такому же резкому перетеканию приточного воздуха в вытяжное отверстие способствуют превышение количества удаляемого воздуха над приточным и снижение скорости приточного воздуха. При равномерном рассредоточенном выпуске воздуха поток ровно движется к выходному отверстию и только в углах помещения образуются незначительные завихрения.
При расположении отверстий в непосредственной близости на одной плоскости характер факела притока — несимметричный, но воздух сразу не перетекает к вытяжному отверстию, а при значительном увеличении расстояния между отверстиями весь приточный поток хорошо омывает помещение и поворачивается в сторону вытяжного отверстия, при этом достигается лучшее распределение воздуха помещения по сравнению с некоторыми другими вариантами.
Несмотря на то, что оба отверстия находятся рядом, приточная струя попадает в поток вытяжки только после того, как омоет помещение. Это явление использовано в конструкции насадка-анемостата, применяемого при решении системы воздухообмена летних театров и кинотеатров малых объемов.
В реальных условиях в результате действия приточных и тепловых струй нагретого воздуха помещения, а также под влиянием инфильтрации, взаимодействия струй и их стеснения ограждениями, мебелью, оборудованием и других создается более сложная картина распределения воздушных потоков помещения. Например, в неизотермических условиях, при охлаждении помещения (tпр<tв), ось приточной струи после выхода из отверстия отклоняется, искривляясь в сторону пола и, наоборот, при tпр> tв при нагреве помещения — в сторону потолка.
С учетом движения воздушных потоков в строительной практике применяют несколько схем воздухообмена и несколько разновидностей каждой.
Выбор наиболее эффективной схемы воздухообмена помещения для конкретного случая — одна из главных задач проектирования систем микроклимата помещения.
Выбор схемы воздухообмена во многом определяется архитектурно-конструктивным и объемно-планировочным решением здания, в целом, а также размером и конфигурацией помещения данного здания в плане; соотношением размеров этого помещения, расположением рабочих мест, размещением и конструкцией осветительных устройств в нем и т. п. Схема воздухообмена увязывается с интерьером помещения и безусловно с учетом картины распределения вредностей в нем.
Характер распространения вредностей по помещению зависит от их плотности по воздуху, а также от интенсивности и направления воздушных потоков помещения.
Более легкие вредности помещения (водяные пары, оксид углерода и др.) устремляются в верхнюю зону помещения, а если в помещении имеются источники тепловыделений, то вместе с нагретым воздухом, как более легким, вверх помещения устремляются и другие вредности. В таких случаях вытяжку проектируют из верхней зоны, а приток в рабочую зону, применяя схему воздухообмена снизу вверх.
Более тяжелые вредности помещения концентрируются в рабочей зоне и расстилаются над полом помещения, например углекислый газ. В этом случае вытяжку делают из нижней зоны, а приток организуют сверху, применяя схему воздухообмена — сверху вниз, и ее разновидность. Эта же схема воздухообмена применима с местной вытяжкой и с общеобменным притоком в случае образования в помещении паров летучих жидкостей (ацетон, спирт, бензол и др.), пыли, опилок, стружек и т. д.
Концентрация вредностей, разносимых потоками воздуха помещения в различных его зонах не одинакова, всегда самая большая — у мест выделения этих вредностей. Места выделения вредностей оборудуют местными устройствами системы воздухообмена «снизу вниз».
Схема воздухообмена «сверху вверх» чаще применяется в жилых зданиях, административных, вспомогательных помещениях и в помещениях сельскохозяйственного назначения.
При выделении в помещении газов разной плотности или газов, состоящих из нескольких взрывоопасных компонентов, может применяться схема с однозональным нижним притоком и двухзональной (по высоте) вытяжкой; а при сосредоточенных влаговыделениях (может быть совместно с тепловыделениями) может применяться схема с однозональной верхней вытяжкой и двухзональным притоком.
Смешанная (зональная) схема воздухообмена, как правило, применяется в многоярусных помещениях (залы театров, кино, спортивные), где рабочие зоны требуют самостоятельного обслуживания.
Не является обязательным для каждого помещения создание и притока, и вытяжки. В здании всегда имеются относительно более чистые и грязные помещения. Для грязных помещений целесообразно предусматривать вытяжную вентиляцию, а это значит создавать разрежение, а компенсирующую приточную вентиляцию организовывать для чистых помещений, прилегающих к грязному. Примером подобной организации воздухообмена служит вытяжная вентиляция курительных комнат и сантехузлов с подачей необходимого компенсирующего количества воздуха от СКВ в фойе-вестибюль театра. Другим примером является организация воздухообмена в квартире жилого дома. Вытяжная канальная общеобменная вентиляция проектируется для кухонь и санузлов жилого дома. За счет этого в жилых комнатах квартиры возникает неорганизованный приток. При этом притоку способствует объемно-планировочное решение квартиры — «со сквозным проветриванием».
Каждая схема воздухообмена помещения имеет свои преимущества и недостатки в каком-либо случае ее применения.
Схема с нижней подачей воздуха (непосредственно в рабочую зону помещения) усложняет конструкцию перекрытия, требует организации в нижней части специального технического помещения (или под ним) больших объемов — камер статического давления и, кроме того, не допускает низких температур и высоких скоростей выпуска приточного воздуха помещения. Но зато эта схема ограничивает высоту зон обслуживания притоком, создает движение воздуха в строгом направлении вместе со свободными конвективными потоками нагретого воздуха источниками теплоты, снижая теплоту и ассимилируя все другие разновидности вредностей; равномерно душирует всю зону обслуживания; обеспечивает практическую независимость эффекта системы микроклимата от объемно-планировочного решения помещения и степени его заполнения, например людьми; при соответствующем решении воздухоудаления отработанного воздуха помещения позволяет не учитывать конвективную теплоту светильников и покрытия здания, тем самым снижая энергетическую нагрузку системы микроклимата.
Подача воздуха в помещение «сверху» дает возможность существенно понизить температуру притока и повысить скорость выпуска воздуха, но такая схема воздухообмена вызывает большую турбулентность воздушной среды помещения в его рабочей зоне.
Решая схему воздухообмена в любом случае, особенно при больших площадях зоны обслуживания (при незначительной высоте помещения) и при значительном воздухообмене, большое значение следует придавать рассредоточенной подаче приточного воздуха, так как в комфортном состоянии воздушной среды играет немалую роль подвижность воздуха рабочей зоны помещения. При сосредоточенной раздаче воздуха получить нормативное значение подвижности очень сложно.
В настоящее время существуют технические средства для обработки воздуха, которые могут подготовить воздух любых расчетных кондиций, а в то же время организация воздухообмена помещения до сих пор далека от совершенства.
Из-за неудачной организации воздухообмена в помещении и в первую очередь неправильного выбора и расчета воздухораспределительных устройств не удается обеспечить в рабочей зоне помещения равномерные заданные параметры воздушной среды.
При работе системы в режиме воздушного отопления может быть перегрев воздуха по высоте, а при работе системы в режиме охлаждения в местах приточных струй может создаваться ощущение сквозняков или наоборот невентилируемых зон.
Для создания более эффективной системы микроклимата помещения в настоящее время все больше начинают применять ЭВМ; а выбирая оптимальную систему воздухообмена уникального здания, проводят предварительные сравнительные исследования расчетных вариантов схемы воздухообмена этих помещений на больших моделях.