Инфильтрующегося в помещение

 

В любой момент времени по обе стороны j-ой конструкции, ограждающей помещение, возникает разность давлений Dр_огр.j=Dр_гр.j+р_вⁱ – р_вн, Па, побуждающая воздух перемещаться через щели, поры и иные неплотности ограждения.

Величина гравитационной разности давлений на наружной и внутренней сторонах j-го ограждения Dр_гр.j, Па обусловлена разницей в плотностях наружного r_н = 353 / (t_н + 273), кг/м³ и внутреннего r_в = 353 / (t_вр^о + 273), кг/м³ воздуха и определяется по формуле:

 

(2.12).

 

где: Н ¾ высота здания от уровня земли до чердачного перекрытия или до центра вытяжных отверстий аэрационных фонарей, м; h_j ¾ расчетная высота от уровня земли до оси вертикальных или середины горизонтальных стыков панелей или до верха окон, дверей и ворот j-го ограждения, м; g = 9,81 ¾ ускорение свободного падения, м/с².

 

Гравитационная разность давлений увеличивается при понижении температуры наружного воздуха, достигая максимальной расчетной величины при t_нх^Б5, °С. Одновременно, при любых значениях t_н, разность гравитационных давлений на любой стороне здания распределяется по высоте его стен таким образом, что Dр_гр.j максимальна у ограждений расположенных на уровне земли (h_j = 0), снижается у ограждений с более высоким уровнем расположения и достигает нуля у ограждений располагающихся на высоте h_j = H.

Ветровое давление р_вⁱ, Па, возникает на наружной стороне ограждений, при обтекании здания потоком наружного воздуха движущегося со скоростью W_н, м/с и определяется по формуле:

 

(2.13)

 

где: i ¾ индекс, указывающий ориентацию j-го ограждения относительно направления ветра; k_1i ¾ аэродинамический коэффициент обтекания здания; k₂ ¾ коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления на ограждения, в зависимости от высоты здания и от характера рельефа местности и окружающей застройки [5].

 

При определенном направлении ветра, у ограждений расположенных на наветренной стороне здания, в результате торможения потока воздуха,

возникает область повышения давления, для которой принимают k_1i = k_1н = (0,4 ¸ 0,8). На заветренной стороне здания возникает область пониженного давления (разрежения), для которой принимают k_1i = k_1.з = (‑0,3 ¸ ‑0,6). На ограждениях расположенных параллельно направлению ветра, изменение давления при ветре ничтожно и для них принимают k_1i = k_1.п = 0.

При повышении скорости ветра и понижении температуры наружного воздуха, ветровое давление возрастает на наветренной стороне в равной степени по всей ее высоте и ширине. На заветренной стороне таким же образом увеличится разрежение. В холодный период года (t_н < t^о_вр) сумма гравитационной разности давлений и ветрового давления Dр_гр.j + р_вi для всех ограждений на наветренной стороне и сторонах параллельных направлению ветра всегда положительна и побуждает наружный воздух перемещаться через неплотности ограждений внутрь помещений (инфильтрация). На заветренной стороне, где сумма Dр_гр.j + р_вi преобразуется в разность Dр_гр._j ‑ р_вi, она может приобрести отрицательное значение и побуждать внутренний воздух уходить через них наружу (эксфильтрация).

В свою очередь, наружный воздух инфильтрирующийся внутрь здания вызывает повышение давления р_вн , Па, в его помещениях, что снижает инфильтрацию и увеличивает долю ограждений, через которые происходит эксфильтрация воздуха.

Внутреннее давление повышается до такого уровня, при котором устанавливается баланс между поступлением воздуха за счет инфильтрации и удалением его из помещения за счет эксфильтрации через ограждения и отсоса через систему естественной вытяжной вентиляции.

В цехах промышленного предприятия на уровень равновесного внутреннего давления влияет также величина дисбаланса между притоком и вытяжкой воздуха системами принудительной вентиляции и количеством воздуха забираемого из помещения разнообразными технологическими агрегатами.

Величина равновесного внутреннего давления не одинакова в различных точках по высоте и площади здания и изменяется при изменении температуры, скорости и направлении движения ветра, а также режимов работы технологических агрегатов и систем принудительной вентиляции.

Для упрощения методики расчетов процессов инфильтрации в зданиях вводят ряд допущений. В качестве одного из них введено понятие «условно-постоянное давление воздуха в здании», величина которого одинакова во всех точках здания. Для зданий с системой естественной вытяжки воздуха из его помещений, значение условно-постоянного внутреннего давления, вычисляют как сумму половины максимальной гравитационной разности давления при температуре наружного воздуха t_н, °С, и полусуммы ветровых давлений на наветренной и заветренной сторонах здания при этой же температуре и принятом направлении и скорости ветра:

 

(2.14)

 

С использованием уравнений (2.12), (2.13) и (2.14) определяются зависимости для вычисления разности давлений по обе стороны ограждений расположенных:

- на наветренной стороне здания:

 

2.15)

 

- на заветренной стороне здания:

 

(2.16)

 

- параллельно направлению ветра:

 

(2.17)

 

Использование уравнений (2.15, 2.16, 2.17) позволяет, при любой температуре наружного воздуха, при любом направлении и скорости ветра, выявить все ограждения здания, через которые будет протекать инфильтрация воздуха и определить для каждого из них величину перепада давлений Dp_огр._j, определяющего интенсивность инфильтрации. Инфильтрация протекает только через те ограждения, у которых Dp_огр._j > 0. Приняв в уравнениях (2.15, 2.16, 2.17) Dp_огр._j = 0 и решив их относительно h_j, получаем выражения для определения уровня h_pⁱ, м, выше которого, не будет осуществляться инфильтрации воздуха через ограждения.

Для наветренной стороны:

(2.18)

Для заветренной стороны:

(2.19)

Для ограждений, параллельных направлению ветра:

 

(2.20)

 

Анализ уравнений (2.18 – 2.20) позволяет заключить, что в безветренную погоду инфильтрация будет протекать через ограждения каждой стороны здания расположенные ниже половины высоты здания.

При появлении и усилении ветра, инфильтрация будет распространяться и на более высоко расположенные ограждения наветренной стороны здания, а на сторонах параллельных направлению ветра и на заветренной стороне здания, уровень расположения ограждений, через которые инфильтруется воздух, будет понижаться.

С использованием уравнений (2.15 – 2.20), вычисляются: площади ограждений, через которые инфильтруется воздух и разности давлений по обе их стороны. Далее определяется количество наружного воздуха, проникающего в помещения при любых значениях температуры наружного воздуха, скорости ветра и его направлениях.

При определении количества воздуха G_и.j, кг/ч, проникающего в помещение через неплотности ограждающих конструкций, необходимо учитывать, что размеры и формы каналов, через которые он движется настолько разнообразны, что и режимы течения воздуха через них различны.

При фильтрации воздуха через поры и микроскопические щели в стыках между панелями и блоками ограждений режим течения воздуха ламинарный и скорость движения воздуха в них пропорциональна перепаду давлений по обе стороны ограждений (W º ).

При движении воздуха через узкие щели окон, балконных дверей, ворот и других ограждений, поток турбулизируется и скорость движения воздуха пропорциональна перепаду давления в степени 0,667, (W º ). При движении воздуха через аэрационные проемы и другие широкие неплотности режим течения турбулентный и скорость пропорциональна перепаду давления в степени 0,5, (W º ). При определении количества воздуха, инфильтрующегося в помещение, используется понятие «нормативная воздухопроницаемость» – G_j.^норм.: через неплотности стыков панелей и блоков ограждений – G_и.щ.^норм.; через наружные стены, покрытия и перекрытия – G_и.с.^норм.; через окна, балконные двери, ворота, аэрационные фонари – G_и.о.^норм; через аэрационные проемы и иные неплотности значительных размеров – G_и.п.^норм., (кг/м²∙ч∙Па). Кроме того, используется понятие «требуемое сопротивление воздухопроницаемости» – R_j^тр. = Δр_огр./ G_j.^норм., (м²∙ч∙Па/кг). Значения величин G_j.^норм. и R_j^тр. приводятся в [11] и определяют максимально допустимый часовой расход воздуха» – G_j ^норм. через неплотности 1 м² j-го ограждения при расчетном перепаде давления Δр_огр.р., Па, по обе его стороны.

Сопротивление воздухопроницанию окон R_и.о.j должно быть не менее:

 

R_и.о.^тр. = 0,216(Δр_огр.j)^0,667/G_и.о.^н. (2.21)

 

Расчетный перепад давления определяется по формуле:

Δр_огр.р. = 1904,6∙Н(t_вр^о – t_нх^Б5)/{(t_вр^о + 273)(t_нх^Б5 + 273)} + 103,9∙W²_н.max/(t_нх^Б5 + 273) (2.22)

где: W_н.макс ¾ максимальная из средних скоростей ветра по румбам за январь повторяемость которых не менее 16% времени, м/с. [8].

С учетом изложенного, определение количества воздуха инфильтрующегося в помещение через стыки панелей и блоков ограждений, G_и.щ, кг/ч, производится, как сумма расходов через стыки на наветренной, заветренной и параллельных ветру сторон зданий:

 

j=М_щ^Н j=М_щ^З

G_и.щ. = G_и.щ.^н + G_и.щ.^з + G_и.щ.^п = 0,1∙ G_и.щ.^норм.{∑ (L_j∙Δр_огр.j.^н.) + ∑(L_j∙Δр_огр.j.^з.) +

j=М_щ^П j=1 j=1

∑ (L_j∙Δр_огр.j.^п.)} (2.23)

j=1

 

где: L_j – длина стыков между панелями j-го ограждения, м; М^н_щ, М^з_щ, М^п_щ –соответственно, количество ограждений на наветренной, заветренной стороне здания и на сторонах параллельных направлению ветра, штук; Dр^н_огр._j, Dр^з_огр._j, Dр^п_огр._j –соответственно, разности давлений по обе стороны j-го ограждения на наветренной, заветренной и параллельных ветру сторонах здания, Па.

 

 

Количество наружного воздуха, поступающего в здание через его наружные стены, покрытия и перекрытия G_и.с, кг/ч, определяется по формуле:

 

j=М_С^Н

G_и.с. = G_и.с.^н + G_и.с.^з + G_и.с.^п = 0,216∙ G_и.с.^норм.{∑ (F _c.j∙(Δр_огр.j.^н.)^0,667) +

j=М_С^З j=М_С^П j=1

∑(F _c.j ∙(Δр_огр.j.^з.)^0,667) +∑(F_c.j∙(Δр_огр.j.^п.)^0,667)} (2.24)

j=1 j=1

где: F_сj ¾ площадь j-го ограждения наружных стен, покрытий и перекрытий, м²; М_с^н, М_с^з, М_с^п ¾ количество j-ограждений на наветренной, заветренной и параллельных ветру сторонах, штук.

Количество наружного воздуха инфильтрующегося в помещение через окна, балконные двери, ворота, аэрационные фонари G_и.о, кг/ч определяется по формуле:

j=М_О^Н

G_и.с. = G_и.о.^н + G_и.о.^з + G_и.о.^п = 0,216{∑ (F _о.j∙(Δр_огр.j.^н.)^0,667/R_вj) + j=М_О^З j=М_О^П j=1

∑(F _о.j ∙ (Δр_огр.j.^з.)^0,667/R_вj) + ∑(F_о.j∙(Δр_огр.j.^п.)^0,667/R_вj)} (2.25)

j=1 j=1

 

где: F_оj ¾ площадь j-го окна, ворот, балконной двери, м²; ¾ сопротивление воздухопроницанию j-го окна, двери и т.п., м²∙ч / кг); М_о^н, М_о^з, М_о^п ¾ количество окон, дверей, ворот и т.п., соответственно, на наветренной, заветренной и параллельных ветру сторонах здания, штук.

 

Определение расхода воздуха инфильтрующегося в помещение через аэрационные проемы и иные неплотности значительных размеров ¾ G_и.п, кг/ч, проводится по формуле:

j=М_П^Н

G_и.п. = G_и.п.^н + G_и.п.^з + G_и.п.^п = 3456{∑ (F_п.j∙(Δр_огр.j.^н.)^0,5) + j=М_П^З j=М_П^П j=1

∑(F _п.j ∙ (Δр_огр.j.^з.)^0,5) +∑(F_п.j∙(Δр_огр.j.^п.)^0,5)} (2.26)

j=1 j=1

 

где: М_п^н, М_п^з, М_п^п – соответственно, количество аэрационных проемов на наветренной, заветренной и параллельной ветру сторонах, шт.; F_п.j – площадь j-го аэрационного проема, м².

 

Общее количество воздуха, инфильтрующегося в помещения здания G_и.зд., кг/ч:

 

G_и.зд. = G_и.щ. + G_и.с. + G_и.о. + G_и.п (2.27)

 

В холодный период года, когда t_н < t_вр на подогрев инфильтрирующегося в помещение здания холодного воздуха необходимо расходовать теплоту в количестве Q_и.зд, кВт, определяемое по формуле:

 

Q_и.зд. = 0,00028∙С_в(t_вр – t_н)(G_и.щ.∙К_т.щ. + G_и.с∙К_т.с.. + G_и.о∙К_т.о. + G_и.п∙К_т.п.) (2.28)

 

где: С_в = 1.005 кДж/(кг · °С) - удельная теплоемкость воздуха при атмосферном давлении и температуре t=0,5(t_вр + t_н), °С; K_т – коэффициент, учитывающий подогрев инфильтрующегося воздуха при прохождении через ограждения, за счет теплоты получаемого от потоков теплоты уходящих через ограждений наружу. (Для стен, стыков панелей и окон с тройными переплетами К_т.с= К_т.щ = К_т.о = 0,7. Для окон и балконных дверей с раздельными переплетами К_т.о = 0,8. Для аэрационных проемов, окон с одинарным остеклением, а также окон и балконных дверей со спаренными переплетами К_т.п = К_т.о = 1,0).

 

Использование уравнений (2.23 – 2.28) позволяет определить текущую потребность в теплоте для подогрева инфильтрующегося в здание (или в отдельные его помещения) наружного воздуха Q_и, при любых направлениях ветра и различных значениях его скорости и температуры наружного воздуха.

Расчетные затраты теплоты на подогрев воздуха инфильтрующегося в любое помещение здания Q^р_и.пом, кВт, определяются при температуре воздуха, расчетной для проектирования систем отопления в данном регионе t _н.х^Б.5, °С и при направлении ветра перпендикулярном наибольшей площади ограждений данного помещения и средней скорости ветра этого направления в январе.

С учетом Q_и.пом определяется тепловая мощность отопительных приборов, устанавливаемых в помещении. Расчетные затраты теплоты на подогрев наружного воздуха, инфильтрующегося одновременно во все помещения здания Q^р_и.зд, кВт, определяются при той же температуре наружного воздуха t _н.х^Б5, °С, но направление ветра и, связанное с этим выбором, значение его средней скорости в январе, выбирают таким, при котором значение Q^р_и.зд будет максимальным.

С учетом вычисленного значения Q^р_и.зд определяют расчетный отпуск теплоты на отопление здания Q^р_о.зд и расчетный расход теплоносителя подводимого к его системе отопления.

При использовании указанной системы уравнений для анализа изменений текущих потребностей в теплоте Q_и вводят ряд упрощений:

1. Аэрационные проемы имеются только в промышленных зданиях и в зимний период они закрыты, поэтому расход воздуха через них G_и.п принимают равным нулю.

2. Инфильтрация через стыки стеновых панелей учитывается только в жилых зданиях, а для зданий промышленных предприятий принимают G_и.щ = 0.

3. При отсутствии ветра, существенно упрощаются все используемые уравнения и получаются простые расчетные зависимости для анализа изменений текущих потребностей в теплоте на инфильтрацию.

С учетом этих допущений, для промышленного здания, в безветренную погоду уравнение (2.28) запишется в виде:

 

 

j=М_С j=М_О

Q_и = 0,00875{G_j^н ∙К_т.с ∙∑(F_c.j ∙(Δh_j)^0,667) + К_т.о ∙∑(F_c.j ∙(Δh_j)^0,667) /R_вj}∙

j=1 j=1

(t_вр – t_н) / [(t_вр+273)(t_н+273)]^0,667 (2.29)

 

где: Мс ¾ количество ограждений в здании в виде наружных стен, перекрытий и покрытий, шт.; М₀ ¾ количество ограждений в здании в виде окон, ворот, аэрационных фонарей, шт.; Dh_j=h_вj - h_нj ¾ строительная высота j-го ограждения, м; h_вj и h_нj ¾ соответственно, уровень расположения верхней и нижней отметки ограждения, м.

 

Так как, инфильтрация, при отсутствии ветра, проходит только через ограждения расположенные ниже уровня 0,5 Н, то для тех ограждений, часть площади которых, расположена выше уровня 0,5 Н необходимо в формулу (2.29) подставлять для них значения h_вj = 0,5Н. Соответственно и площадь этих ограждений F_сj или F_оj необходимо подставлять в виде F ^р_сj·(0,5Н - h_н.j)/Dh_j, заменяя h_вj на 0,5Н. Если же у ограждения и h_нj £ 0,5Н, то в формулу (2.29) подставляют для него и h_нj = 0,5Н.

Обозначим в формуле (2.29) комплекс b_и, кВт/(°С)^0.333, как коэффициент инфильтрации здания:

 

j=М_С j=М_О

b_и = 0,00875{G_j^н ∙К_т.с ∙∑F_c.j ∙(Δh_j)^0,667 + К_т.о ∙∑ F_c.j ∙(Δh_j)^0,667 /R_вj} (2.30)

j=1 j=1

 

Следует отметить, что b_и для каждого конкретного здания в безветренную погоду является величиной постоянной и формула (2.29) запишется как:

 

(2.31)

 

При t_н = t_вр расход теплоты на инфильтрацию отсутствует (Q_и= 0). При понижении температуры наружного воздуха расход теплоты возрастает, достигая максимального значения при t_н = t_н.х^б.5 (кривая 2 на рис. 2.3).

При возникновении ветра Q_и будет возрастать в помещениях на наветренной стороне здания, но снижаться в помещениях на заветренной стороне и сторонах параллельных направлению ветра. Поэтому суммарное изменение текущих расходов теплоты на инфильтрацию промышленных зданий, с достаточной точностью можно проводить по формуле (2.29).