Повітрообмін у приміщеннях житлових будинків і його вплив на мікроклімат

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДОНБАСЬКА НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

АВТОРЕФЕРАТ

ПОВІТРООБМІН У ПРИМІЩЕННЯХ ЖИТЛОВИХ БУДИНКІВ І ЙОГО ВПЛИВ НА МІКРОКЛІМАТ

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано на кафедрі “Теплогазопостачання і вентиляція” Національного університету “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

кандидат технічних наук, доцент Жуковський Стефан Семенович, Національний університет “Львівська політехніка”, доцент кафедри “Теплогазопостачання і вентиляція”

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Строй Анатолій Федорович, Полтавський національний технічний університет імені Юрія Кондратюка, завідувач кафедри “Теплогазопостачання і вентиляція”;

кандидат технічних наук, доцент

Гусєнцова Яна Алімівна, Луганський інститут післядипломної освіти Донбаської національної академії будівництва і архітектури (м. Луганськ), доцент кафедри “Вентиляції, теплогазопостачання та водовідведення”

Провідна установа: Київський національний університет будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України, кафедра “Теплогазопостачання та вентиляція”

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Донбаської національної академії будівництва і архітектури (86123, Донецька область, м. Макіївка, вул. Державіна, 2).

Автореферат розісланий: “15” травня 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради М.М. Зайченко

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Для України, як і для інших країн з подібними кліматичними умовами, вдосконалення вентиляційних систем приміщень житлових, адміністративних і виробничих будівель з використанням сучасних матеріялів, технологій і устаткування є важливою науковою та практичною проблемою. Її актуальність визначається незадовільним рівнем санітарно-гігієнічних умов і мікроклімату приміщень, а також нераціональним використанням теплової енергії системами вентиляції та обігрівання.

Сучасні методики оцінювання перетікань повітряних потоків через приміщення або їхні виокремлені об'єми ґрунтуються на цілій низці спрощень і припущень, які недостатньо враховують особливості процесу. Насамперед це стосується багатоповерхових будинків, в яких є додаткові шляхи перетікання повітряних потоків з нижніх поверхів на верхні. Внаслідок цього кількість повітря, що перетікає в приміщення верхніх поверхів, може значно відрізнятись від розрахункової. Крім цього, за відповідних погодних умов та дії інших чинників, у трубопроводах (каналах) систем гравітаційної вентиляції будівлі можливе виникнення зворотної тяги. Відсутній контроль кількості повітря, що інфільтрує крізь нещільності зовнішніх і внутрішніх огороджень приміщень (помешкань), яке в окремих випадках може істотно впливати на повітрообмін приміщень. Встановлення щільних вікон спричинило відчутне погіршення якості внутрішнього повітря, а, отже, і умов проживання мешканців. Все це призвело до того, що практично неможливо спрогнозувати рівень комфортності мікроклімату в окремих приміщеннях помешкань та інших приміщень залежно від кліматичних умов і техніко-експлуатаційних показників будинку. Тому проблема комплексного вивчення повітрообміну у виокремлених об'ємах будинків є надзвичайно важливою.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до Закону України “Про енергозбереження“, у межах пріоритетного науково-технічного напрямку України “Екологічно чиста енергетика і енергозберігаючі технології“ є складовою частиною науково-дослідної роботи кафедри “Теплогазопостачання та вентиляція“ Національного університету “Львівська політехніка“, а також у межах бюджетних науково-дослідних тем (№ держреєстрації 0104U002295 та 0106U001335).

Мета і задачі дослідження. Мета роботи - встановлення закономірностей інтенсивності повітрообміну для виокремлених об'ємів житлових будинків, залежно від їхніх техніко-економічних показників і метеорологічних умов, а також розроблення математичної моделі для визначення параметрів природного повітрообміну приміщень, їхнього аналізу і оцінювання рівня забезпечення внутрішніх мікрокліматичних умов.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

- проаналізувати сучасний стан проблеми і визначити чинники, які впливають на природний повітрообмін у приміщеннях житлових будинків;

- розробити аналітичне описання процесів повітро- і теплообміну приміщень (помешкань) і запропонувати адекватну математичну модель для їхнього аналізу;

- виконати в лабораторних умовах дослідження протікання повітряного потоку через пластинчаті щілинні отвори, прототипи щілин вікон і фрагменти різнопрофільних віконних щілин;

- дослідити у лабораторних умовах повітропроникність віконних конструкцій, вітрових впливів на розподілення тисків на поверхнях будинків і прилеглих підстелювальних поверхнях;

- виконати в лабораторних умовах аеродинамічні дослідження віконних конструкцій;

- здійснити експериментальні дослідження перетікання повітряних потоків на реальних об'єктах у натурних умовах;

- проаналізувати природний повітрообмін приміщень (помешкань) будівель із застосуванням математичної моделі та експериментальними дослідженнями на реальних об'єктах;

- за допомогою математичного моделювання повітрообміну з використанням результатів експериментальних досліджень встановити залежність між інтенсивністю повітрообміну і кліматичними та контрольованими умовами;

- розробити рекомендації щодо керування природним повітрообміном приміщень (помешкань);

- здійснити апробацію і впровадити результати досліджень.

Завданням роботи є оцінювання інтенсивності повітрообміну помешкань (приміщень) будинків на етапі проєктування та його впливу на гігієнічні параметри мікроклімату з урахуванням експериментально визначених і уточнених чинників впливу та результатів отриманих попередниками.

Об'єкт дослідження. Системи природної вентиляції приміщень і помешкань житлових будинків, їхнє огородження.

Предмет дослідження. Процеси організованого природного повітрообміну, інфільтрації та ексфільтрації повітря у виокремлених об'ємах будинків під дією внутрішніх і зовнішніх спонукальних чинників.

Методи дослідження. У роботі використано експериментально-аналітичні методи досліджень за допомогою експериментальних устав і стендів та комп'ютерні технології оброблення результатів, а також методи математичного моделювання повітро- і теплообміну приміщень (помешкань).

Наукова новизна одержаних результатів:

- одержано теоретичні та експериментальні дані повітропроникних і опорових характеристик пластинчатих щілинних отворів і прототипів віконних щілин, а також фрагментів віконних профілів різних конструкцій у лабораторних умовах;

- визначено в лабораторних умовах аеродинамічні та теплотехнічні характеристики віконних конструкцій та проаналізовано чинники, які впливають на них;

- досліджено вітрові впливи на розподілення тисків на зовнішніх поверхнях моделей будинків і прилеглу підстелювальну поверхню, зокрема з урахуванням рельєфу місцевості;

- запропоновано математичні моделі для аналізу процесів повітро- і теплообміну виокремлених об'ємів будинку (приміщень, помешкань), адекватність яких підтверджена дослідженням натурного повітрообміну;

- проаналізовано ефективність природного вентилювання та якість внутрішнього повітря приміщень (помешкань) з ущільненими віконними та іншими конструкціями.

Практичне значення одержаних результатів. Результати вказаних досліджень дадуть змогу не тільки виявити чинники, що найістотніше впливають на досліджуваний процес, але і оцінити ефективність функціонування систем природної вентиляції, можливість керувати ними за зміни кліматичних чинників як всередині, так і зовні будинків. Це, своєю чергою, дасть змогу окреслити напрями її вдосконалення і створення устаткування для забезпечення децентралізованого притікання зовнішнього повітря в житлові приміщення, з урахуванням їхніх мікрокліматичних умов.

Одержані результати досліджень повітропроникних характеристик щілинних отворів, аналогів віконних щілин і конструкцій вікон в лабораторних і натурних умовах, а також повітрообміну в приміщеннях у натурних умовах та розподілення вітрових тисків на поверхнях будівель масової забудови (на моделях) дали змогу розробити математичні моделі тепло- і повітрообміну помешкань житлових будинків за розрахункових та нестаціонарних умов.

За результатами дисертаційної роботи розроблено рекомендації щодо покращання повітрообміну приміщень житлових будинків.

Одержані результати теоретичних та експериментальних досліджень застосовано у навчальному процесі Національного університету “Львівська політехніка“, а також у виробничій діяльності проєктних організацій Львова (Державний інститут проєктування міст “Містопроект“ та Державне акціонерне товариство “Будівельна компанія “Укрбуд“ Дочірне підприємство “Львівський промбудпроект“ м.Львів).

Особистий внесок здобувача. Особисто автором обґрунтовано основні наукові положення методів аналітичного і експериментального дослідження процесів перетікання повітря у виокремлених об'ємах житлових будинків, розроблено математичні моделі тепло- й повітрообміну помешкань житлових будинків за розрахункових та нестаціонарних умов; розроблено методики і устаткування для експериментальних досліджень, а також методи та засоби покращання природного повітрообміну, обґрунтовано межі його застосування.

У роботі виконано експериментальні дослідження протікання повітря крізь віконні та дверні щілини у лабораторних і натурних умовах.

Автором запропоновано у будівництві висотних житлових будинків враховувати змінний розподіл зовнішнього тиску по висоті будівлі за дії вітру і специфіку перетікань повітря в її виокремлених об'ємах, а також передбачати можливість забезпечення оптимальної циркуляції повітряних потоків всередині будівлі. Завдання зводиться до обґрунтованого розміщення помешкань (приміщень) в плані стосовно сходових кліток, шахт ліфтів і сміттєпроводів.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідались, були подані і обговорювались на науково-технічних конференціях “Сучасні тенденції в архітектурі та будівництві” (Київ, 2003 р.) та “Архітектура та будівництво України в нових соціально-економічних умовах” (Київ, 2004 р.); на Другій Міжнародній конференції “Проблеми технічної метеорології” (Львів, 2006 р.); на Міжнародній науково-практичній конференції “Сучасні конструкції і матеріали в промисловому, цивільному і дорожньому будівництві” (м. Макіївка, 2006 р.); науково-технічних конференціях Національного університету “Львівська політехніка” в 2002-2006 рр.

У повному обсязі закінчена дисертаційна робота доповідалась на розширених засіданнях кафедри “Теплогазопостачання та вентиляція“ НУ “Львівська політехніка” та кафедри “Теплотехніка, теплогазопостачання та вентиляція” ДонНАБА.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 10 друкованих праць, зокрема сім у фахових виданнях, які наведені в Бюлетені ВАК України.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, в якому наведено її загальні характеристики, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел, який містить 166 назв, та трьох додатків. Загальний обсяг роботи 252 сторінки, зокрема: 165 сторінок основного тексту, 134 рисунки і 60 таблиць.

Основний зміст роботи

Вступ містить обґрунтування актуальності теми, в ньому сформульовано мету і завдання досліджень, визначено наукову новизну і практичне значення роботи, обґрунтовано вибір об'єктів та предмета дослідження, розкрито її значення в галузі будівництва.

У першому розділі проаналізовано сучасний стан питання і наукові досягнення у галузі дослідження, розрахунку та проєктування систем вентилювання житлових та громадських будинків. Крім того, проаналізовано праці, що стосуються методів експериментального оцінювання повітрообміну, дослідження впливу вітру на будинки і повітрообмін їхніх виокремлених об'ємів, математичного моделювання природного повітрообміну.

Дослідженням процесів пов'язаних з повітрообміном житлових та громадських будинків, займались Е.М.Арієвич, В.Н.Богословський, Р.Е.Бріллінг, О.Т.Возняк, А.Давенпорт, Я.А.Гусєнцова, С.М. Горлін, В.Ф.Губар, В.Ф.Дроздов, Н.Н.Разумов, Е.I. Реттер, В.М.Сємьонова, Ф.Л.Серебровський, А.Ф.Строй, В.М.Таліев, Ф.В.Ушков, А.А.Худенко, А.М.Шкловер, J.E.Janssen, J.Karolak, A.Klauss, J.Kozierski, L.Laskowski, B.Lewicki, M.B.Nantka, A.Nieslochowski, F.Petersen, E.Szczechowiak, G.T.Tamura, W.Zwolinski та багато інших науковців.

Безпосередньо повітрообмін житлових та громадських будинків досліджено у працях В.М.Богословського, Б.Ф.Васільєва, Н.Н.Грудзінського, М.П.Данілова, С.С.Жуковського, П.Л.Зінича, В.Е.Константінової, В.П.Корбута, В.А.Кострюкова, Ю.К.Росковшенка, В.Н.Сємьонової, M.B.Nantka, J.Z.Piotrowski, M.H. Sherman та інших.

На підставі виконаного огляду та аналізу теоретичних та експериментальних досліджень, які стосуються питань вивчення повітрообміну окремих приміщень та систем вентилювання будинків загалом, математичного моделювання цих процесів, виявлено недоліки в нормуванні та проєктуванні систем природної вентиляції приміщень, сформульовано мету та завдання досліджень, програму теоретичних та експериментальних досліджень.

У другому розділі наведено методики дослідження в лабораторних умовах процесів протікання повітряного потоку крізь пластинчаті щілинні отвори, прототипи щілин вікон і фрагменти різнопрофільних віконних щілин; виконано дослідження в лабораторних умовах повітропроникності віконних конструкцій, вітрових впливів на розподілення тисків на поверхнях моделей будинків і прилеглих підстелювальних поверхнях; здійснено експериментальні дослідження перетікання повітряних потоків на реальних об'єктах у натурних умовах.

Розроблено програму та алгоритм експериментальних досліджень повітропроникності і значень коефіцієнтів опору повітропроникності (інфільтрації) вікон і балконних дверей у випробувальній камері дослідницького комплексу.

Розроблена методика модельних аеродинамічних досліджень тискових впливів вітру за різних кутів атаки з урахуванням рельєфу і елементів шорсткості навколишньої місцевості для визначення аеродинамічних коефіцієнтів на зовнішніх поверхнях будинку.

Наведено перелік необхідного устаткування та матеріялів для виконання експериментальних лабораторних та натурних досліджень у експериментально-вимірювальному комплексі, а також у випробувальній камері та аеродинамічній трубі.

Дослідження повітропроникності щілинних отворів, прототипів щілин вікон і фрагментів віконних щілин виконувались в лабораторії “Аеродинаміка і вентиляція” Національного університету “Львівська політехніка”.

Дослідження повітропроникності (інфільтрації) реальних конструкцій полягали у визначенні кількості повітря, яке перетікає за певний період часу крізь щілини вікон та балконних дверей за певної різниці тисків з обох боків виробу. Дослідження виконували на встановленому у випробувальну камеру щільному (розущільненому) виробі за умови створеної з постійним зростанням різниці тисків в 50, 100, 200, 250, 300, 450 і 600 Па, а відтак з відповідним зниженням тиску у зворотній послідовності і щоразу заміряли витрату повітря.

Результати вимірювань фіксували за допомогою автоматизованого дослідницького комплексу з використанням ПК із відповідним програмним забезпеченням.

Коефіцієнт інфільтрації щілинного отвору одиничної довжини а_l за нормованого перепаду тисків і температури 0^оС обчислювали за формулою

, (1)

де - виміряна витрата повітря, крізь щілини вікна або балконних дверей за певної температури та певної різниці тисків, (м³/год), l - довжина периметра зовнішніх щілинних притворів вікна або балконних дверей, м; ?p - значення різниці тисків, даПа; - коефіцієнт для визначення кількості повітря, яке проникає через щілини виробу, за температури 0⁰С.

З обчислених значень коефіцієнта інфільтрації повітря “а_l” для кожного з тискових рівнів знаходили середнє значення для кожного виробу.

Розроблено програму та алгоритм експериментальних натурних досліджень повітрообміну помешкання з використанням як маркувального газу двоокису вуглецю.

Наведена розроблена методика аеродинамічних досліджень впливів вітру, для різних його швидкостей і кутів атаки, на повітрообмін в приміщеннях помешкання, а також методика вимірювань щільності помешкань і окремих їхніх приміщень зі створенням в них розрідження в межах від 10 до 75 Па за допомогою вентилятора, що розміщується в камері біля прорізу ущільнених вхідних дверей з боку сходової клітки, та вимірювання витрати повітря через вентилятор.

У третьому розділі наведено та проаналізовано результати експериментальних і аналітичних досліджень аналогів щілинних віконних отворів одиничної довжини, параметрів повітропроникності вікон і балконних дверей, а також повітрообміну в приміщеннях.

Аналіз результатів експериментальних досліджень аналогів щілинних віконних отворів одиничної довжини, а також вікон і балконних дверей виконано із застосуванням програм статистичного оброблення даних для встановлення математичних залежностей між параметрами їх повітропроникності та різницею тисків повітря.

На підставі виконаного аналізу встановлено, що визначальними чинниками природного повітрообміну помешкань і окремих приміщень багатородинних житлових будинків є: термічний напір; дія вітру; архітектурно-конструкційні особливості будинку і внутрішнє розпланування приміщень; щільність зовнішніх і внутрішніх будівельних огороджень. Практичнішим та економічнішим є визначення значення показника повітропроникності наскрізних щілинних отворів одиничної довжини а_l вікон (дверей), на відміну від такого показника для одиничної поверхні конструкції а_f.

Спостерігається стійка тенденція зменшення коефіцієнта інфільтрації після здійснення міцнісних випробувань для досліджених вікон і балконних дверей на 3 - 8%.

Експериментально встановлено, що традиційні “нещільні” вікна, які виготовлені із невисушеної деревини низької якості, характеризуються показником повітропроникності а_l=2,0-3,5 м³/(м ^. год ^. [даПа]), а для сучасних ущільнених конструкцій він менший, ніж 0,1 м³/(м ^. год ^. [даПа]).

Для одночасного оцінювання теплових потреб і повітрообміну будинку доцільно застосувати геометричний показник, який характеризує відношення сумарних поверхонь зовнішніх огороджень теплого контуру будинку до об'єму цього контуру: в однородинних будинках його значення перевищує 0,9 м^-1; у високих багатородинних будинках з приблизно квадратними в плані розмірами - менше за 0,2 м^-1.

Інтенсивність повітрообміну приміщення (помешкання) є випадковою величиною низки чинників, які діють одночасно: типу застосованої вентиляції і конструкційного вирішення повітряних трубопроводів (каналів); зовнішнього клімату; виду і забудови довкілля; розміру і конфігурації будинку, а також його розміщення на місцевості; розпланування приміщень помешкань і особливостей їхньої експлуатації тощо.

Повітрообмін крізь щілинні отвори будівельного огородження характеризується квадратичною залежністю, а його значення залежить від щільності конструкції і різниці тисків по обидва боки отвору.

Визначені в модельних дослідженнях значення аеродинамічних коефіцієнтів у поєднанні з визначеними в натурі значеннями середньої та максимальної швидкості вітру і вітрового тиску дають можливість розрахувати повітрообмін у приміщеннях житлових будинків і його вплив на мікроклімат з високим рівнем точності та надійності.

З отриманих результатів випливає, що напрямок дії вітру на стіни будинку незначно впливає на кількість повітря, яке перетікає через віконну і дверну столярку в межах усього помешкання, але має істотний вплив на кількість і напрямок руху повітря, що перетікає через окремі приміщення в помешканні.

У четвертому розділі наведено результати дослідження проблем мікроклімату помешкань житлових будинків.

Призначенням будинків є виокремлення з природного середовища простору з бажаними, регульованими і контрольованими умовами проживання, зокрема умовами забезпечення відповідних до призначення об'єктів рівнів безпеки, здоров'я, комфорту. Для оцінювання цих умов виконано дослідження, які ґрунтуються на анкетних опитуваннях респондентів (мешканців багатородинних житлових будинків) і спрямовані на виявлення у них хворобливих проявів.

Комплекс таких хворобливих проявів з назвою “синдром хворого будинку” складається зі значної кількості чинників, які пов'язані з низкою різних причин: типом і конструкційним розв'язанням внутрішньобудинкових інженерних систем, особливо систем вентиляції; оснащенням приміщень; видами будівельних матеріялів; станом зовнішнього повітря; недотриманням вимог особистої і технологічної гігієни тощо.

Неповні або неякісно реалізовані енергоощадні (термореноваційні) заходи спричиняють зараження бактерійною мікрофлорою внутрішнього повітря, призводять до розвитку грибка в зовнішніх огородженнях або отруєння оксидом вуглецю (СО) людей в приміщеннях із газоспоживальним обладнанням. Вони свідчать про можливість псевдоенергоощадності з господарськими і суспільними наслідками, що важко однозначно визначити.

Результати анкетних досліджень свідчать (табл.1), що т. зв. “синдром хворого будинку” і характерні для нього симптоми спостерігаються як у серійних багатородинних житлових будинках, що експлуатуються декілька десятків років, так і у недавно введених в експлуатацію ефективно утеплених житлових будинках з ущільненими вікнами і природною канальною витікальною вентиляцією помешкань.

Ефективне та енергоощадне вентилювання помешкань можна забезпечити завдяки застосуванню на верхівці вентиляційних трубопроводів (каналів) низькотискових вентиляторних насадок - економія електроенергії приблизно в 14 разів більша, ніж у разі застосування традиційних систем механічної витікальної вентиляції без утилізації тепла.

Таблиця 1 Результати анкетних опитувань мешканців багатородинних житлових будинків

Прояви хворобливих симптомів	Будинки
	що експлуатуються понад 20 років (383 анкетованих)	що експлуатуються декілька років (958 анкетованих)
Подразнення очей	(50)*13,0%	(365) 38,1%
Подразнення горла	(31) 8,1%	(318) 33,2%
Бронхіт	(13) 3,4%	(103) 10,8%
Напади астми	(31) 8,1%	(89) 9,3%
Головні болі	(170) 44,4%	(777) 81,1%
Запаморочення	(150) 39,1%	(636) 66,4%
Втома	(140) 36,6%	(392) 39,3%
Порушення сну	(21) 5,5%	(293) 30,6%
Подразнення носа	(44) 11,5%	(413) 43,1%
Слабкість	(30) 7,8%	(142) 14,8%
Білі у всьому тілі	(16) 4,2%	(188) 19,6%
Прояви грипу (гарячка)	(13) 3,4%	(87) 9,1%
Задуха (повітря із запахом)	(28) 7,3%	(145) 15,1%
Кількість симптомів щодо окремої особи	1,9	4,1

* У дужках вказана кількість осіб з проявами хворобливих симптомів

Вікна, обладнані системою мікровентиляції (тобто з ручним відчинянням вікон) не є оптимальним вирішенням проблем вентилювання. Ефективна вентиляція помешкання може бути забезпечена застосуванням самочинних повітророзподільників. Конструкційне розв'язання з ручним відкриванням повітророзподільників може забезпечити нормативний повітрообмін за умови правильного користування ними мешканцями.

Завдяки застосуванню СВ з гігрокерованими повітророзподільниками і вентиляційними ґратками повітрообмін приміщень помешкання автоматично пристосовується до потреб, які змінюються залежно від способу експлуатації помешкання, параметрів зовнішнього повітря та інших чинників.

Результатом дії гігрокерованої СВ є заощадження енергії порівняно з дією СВ зі сталим повітрообміном, яка пристосована до найнесприятливішої ситуації, що може виникнути під час експлуатації помешкання, а також дотримання вимог щодо якості внутрішнього повітря взимку.

У п'ятому розділі наведено розроблені методики розрахунку повітрообміну у приміщеннях житлових будинків.

На відповідному рівні будинку (або кожному з його поверхів, - за умови ідеальної щільності його міжповерхових перекриттів), вирівнюються зовнішній і внутрішній тиски.

Цей рівень називають “лінією нульових тисків” або “площиною нейтральних тисків (0-0)” і він є однаково характерним як для зовнішніх огороджень будинків, так і для внутрішніх огороджень помешкань, які відділяють їх від комунікаційних об'ємів будинку (сходова клітка, коридори тощо).

У разі вільного перетікання повітря з поверху на поверх, площина нейтрального тиску розміщена дещо вище від половини висоти будинку. За такої умови зовнішнє повітря притікає до приміщень нижніх поверхів (інфільтрація), нагрівається в них і, перетікаючи крізь нещільності перекриттів, витікає з верхніх поверхів назовні (ексфільтрація).

Якщо міжповерхові перекриття повністю повітронепроникні (зокрема відсутні канали систем витікальної вентиляції), то площини нейтральних тисків є на кожному поверсі і повітрообмін відбувається крізь нещільності зовнішніх огороджень у межах кожного з поверхів.

За умови щільних перекриттів і відсутності каналів систем витікальної вентиляції помешкань перетікання повітря відбувається крізь нещільності нижньої частини зовнішніх огороджень (інфільтрації) і через нещільності вхідних до помешкань дверей на різних поверхах до сходової клітки, де лінія нульових тисків розміщена дещо вище від половини висоти будинку.

За умови щільних перекриттів і вхідних до помешкань дверей зовнішнє повітря буде притікати до помешкань крізь отвори і нещільності їхніх зовнішніх огороджень і витікати з них каналами систем витікальної вентиляції. Повітрообмін сходової клітки буде незалежним від помешкань; через нижню її частину, особливо через проріз вхідних дверей, зовнішнє повітря буде інтенсивно притікати в сходову клітку, підігріватись і крізь нещільності або отвори огороджень її верхньої частини витікати назовні.

У розділі наведено загальні принципи розробляння і реалізації математичної моделі повітрообміну виокремлених об'ємів будинку.

Розроблені математичні моделі є придатними для оцінювання перетікань і обмінів повітря у виокремлених об'ємах будинків за наявності певної кількості початкових даних і пристосування структури моделі до мети аналізу.

Завданням реалізації математичної моделі є визначення закономірностей досліджуваного процесу із урахуванням умов однозначності. Остаточно це означає встановлення математичних залежностей тепло- і повітрообміну помешкання із урахуванням повітропроникності його зовнішніх і внутрішніх огороджень, наявності вентиляційних отворів і трубопроводів із урахуванням перепадів тиску назовні і всередині помешкання з причини термічного напору і вітрового тиску (чи дії вентиляторів). Розрахунки зводяться до застосування принципів балансування тепловтрат помешкання і теплонадходжень в нього від систем обігрівання (СО), із урахуванням витрат тепла на підігрівання зовнішнього повітря, яке притікає до помешкання, за умови однакових масових витрат притікального і витікального повітря.

Для створення математичної моделі тепло- і повітрообміну за розрахункових (проєктних) умов прийнято, що внутрішні огородження помешкання і його вхідні двері є повітронепроникними.

Теплопродуктивність системи обігрівання помешкання, без урахування теплонадходжень від внутрішніх і зовнішніх (сонячне випромінювання) джерел, запишемо у вигляді балансової рівності

Вт , (2)

де - трансмісійні тепловтрати із урахуванням додаткових тепловтрат за дії вітру, Вт; - вентиляційні (інфільтраційні) тепловитрати, Вт.

Величина визначалась за формулою

, Вт (3)

де K_i, A_i - відповідно коефіцієнт теплопередавання, Вт/(м² К) і площа теплого контуру і-го зовнішнього огородження помешкання, м²; - усереднена температура внутрішнього повітря, ^оС; - температура зовнішнього повітря ^оС (за розрахункових умов =t_х.5, де t_х.5 - середня температура найхолоднішої п'ятиденки),; - поправний коефіцієнт на різницю температур , який приймають: =1, за безпосереднього контакту огородження із зовнішнім повітрям; 1 - в інших випадках; - коефіцієнт підвищення тепловтрат за дії вітру: =1,05 - для розрахункової швидкості вітру 5 м/с; =1,1 - для розрахункової швидкості вітру >5 м/с.

Витрати тепла на підігрівання притікального (зовнішнього) повітря розраховувались за формулою

Вт, (4)

де - сумарна кількість зовнішнього повітря, що притікає до помешкання, кг/год; с_р - питома вагова теплоємність повітря за сталого тиску, кДж/(кг К), с_р=1,005.

Якщо зовнішнє повітря притікає в приміщення крізь нещільності вікон (щілини вікон) чи віконні отвори, то його кількість можна визначити за алгоритмом тискового методу. Розглянемо це на прикладі помешкання, яке прилягає до одного з фасадів будинку.

Тепловтрати через вікна визначались за формулою:

, (5)

де с_p - одинична теплоємність повітря, Вт/(м^{3 о}С); S - опір повітропроникності щілинного отвору одиничної довжини, ; a-----показник степеня, значення якого залежить від характеристик руху повітря у щілинних отворах (0,5a--1 (зазвичай a =0,67); sgn (p) - характеризує знак різниці тисків, яка свідчить про інфільтрацію (“+”) або ексфільтрацію (“-“); - сумарна довжина щілинних отворів уздовж фрагментів, які відчиняються; Т= t_в-t_з - різниця температур внутрішнього t_в і зовнішнього t_з повітря.

Сумарний перепад гравітаційних напорів і вітрових тисків на вікнах помешкання дорівнює

(6)

Далі за залежністю визначали одиничну витрату повітря, а потім за формулою (5) його загальну витрату, а за (4) - витрату тепла на його підігрівання.

Для розроблення методики розрахунку природного повітрообміну приміщень житлових будинків проаналізовано розподіл перепаду гравітаційних напорів на будинки та їхні виокремлені об'єми залежно від щільності зовнішніх і внутрішніх огороджень, а також тискові вітрові впливи на їхні зовнішні поверхні і на прилеглу територію, вплив на повітрообмін архітектурно-конструкційних особливостей будинку і внутрішнього планування помешкань.

Основною передумовою розроблення математичної моделі повітрообміну за нестаціонарних умов є виокремлення в будинках відповідної кількості внутрішніх об'ємів і складання балансів повітрообмінів у вигляді

(7)

де “і” - кількість виокремлених у будинку об'ємів (помешкань, приміщень), а “j” - шляхи перетікання повітря через аналізований об'єм із сусідніх об'ємів (просторів).

Математичною формою такого балансу є система нелінійних рівнянь, які характеризують витрати повітря через щілинні отвори будівельного огородження

м³/(год^.м). (8)

Спрощена математична модель розроблена на підставі використання подібності методів розрахунку повітряних і теплових балансів за відповідних початкових умов. Щоб знайти значення зовнішнього тиску на огородження, враховано термічні напори і вітрові тиски, а значення внутрішнього тиску розраховано методом послідовних наближень.

Основою для реалізації математичної моделі є система рівнянь теплового балансу кожного вузла просторової сітки електропровідників, що є аналогом повітро- і теплообміну приміщення. На початковому етапі приймаємо температури і теплоємність всіх вузлів моделі такими, що дорівнюють нулеві, а потім послідовними наближеннями визначаємо коефіцієнти теплообміну і температури внутрішнього повітря, причому вибір часових кроків має істотний вплив на часові зміни температури внутрішнього повітря. повітрообмін житловий будинок мікрокліматичний

У рівняння теплового балансу обов'язково входить значення повітрообміну, а шуканими величинами є тиски, які виникають у кожному із виокремлених об'ємів (p_ij) під впливом змін параметрів зовнішнього і внутрішнього повітря, напрямку і швидкості вітру.

На підставі результатів виконаних досліджень, за потреби, щоразу можна визначити: величини повітропроникних характеристик будівельних елементів, насамперед вікон, а також аеродинамічних характеристик елементів і устаткування систем вентиляції; дані щодо змін параметрів зовнішнього клімату (температур повітря, швидкостей і напрямків вітру) і температур внутрішнього повітря; математичні залежності, які описують вплив природних сил, що пов'язані зі змінністю термічного напору і вітрового тиску; повну геометричну характеристику будинку (розміри, форма тощо) і локалізовані в ньому виокремлені об'єми (місцезнаходження в будинку, об'єм, наявність в огородженнях щілинних отворів тощо).

Забезпечення нормативного повітрообміну помешкання можливе за умови підтримання в окремих його приміщеннях належного розрідження, яке тільки у порівняно малочасовому вимірі забезпечується дією природних сил. Щоб забезпечити нормативний повітрообмін, рекомендується застосування механічної витікальної вентиляції помешкань, яка є простою в проєктуванні і виконанні, але потребує значних витрат теплової енергії для підігрівання зовнішнього повітря.

Механічна притікально-витікальна вентиляція з утилізацією тепла витікального (викидного) повітря є найефективнішим рішенням в енергоощадних будинках.

Напрямки і швидкості вітру характеризуються значною змінністю порівняно зі змінами температури повітря, наслідком чого є змінність обмінів і перетікань повітря, яка, в остаточному підсумку, дає змогу виявити кращі умови природної вентиляції.

У додатках наведені результати експериментальних досліджень витрати повітря крізь аналоги щілинних віконних отворів одиничної довжини та повітропроникності вікон і балконних дверей, акти впровадження результатів роботи.

Висновки

1. Для встановлення закономірностей інтенсивності повітрообміну у виокремлених об'ємах житлових будинків, залежно від їхніх техніко-економічних показників і метеорологічних умов, проаналізовано сучасний стан проблеми і визначено чинники, які впливають на процеси природного повітрообміну в приміщеннях житлових будинків.

2. Розроблена математична модель повітро- і теплообміну помешкання (приміщення) за розрахункових (проєктних) умов, за допомогою якої можна визначити повітрообмін і запропонувати конструкційні заходи для забезпечення його нормативного значення, а також визначити витрати тепла на підігрівання притікального (зовнішнього) повітря та загальні теплові потреби приміщення для його обігрівання.

Для аналізу впливу різних чинників на повітрообмін розроблена математична модель повітро- і теплообміну помешкання (приміщення) за нестаціонарних умов, яка базується на системі рівнянь теплового та повітряного балансу.

3. Розроблено і експериментально апробовано методики досліджень: повітропроникності віконних аналогів і щілинних отворів одиничної довжини за різних їхніх розмірів та конфігурацій; різних віконних конструкцій загалом; щільності помешкань і окремих їхніх приміщень зі створенням в них розрідження; повітрообміну помешкання за змінною в часі надлишковою концентрацією СО₂.

4. Визначено витратні та опірні характеристики віконних аналогів і щілинних отворів одиничної довжини шириною від 0,5 до 6 мм і товщиною від 2 до 60 мм під час всмоктування і видування та встановлено залежності між повітропроникними характеристиками отворів, їхніми геометричними параметрами і перепадом тисків. Встановлено, що в діапазоні перепаду тисків 70-400 Па на всмоктуванні повітря коефіцієнт місцевого опору щілинних отворів набуває значень в межах 0,6-0,76.

Визначені аналогічні характеристики вікон і балконних дверей різних конструкцій на всмоктуванні повітря в т.ч. з урахуванням їх міцнісних випробувань.

5. Встановлено, що сучасні “щільні” вікна характеризуються показником повітропроникності a_l, що не перевищує 0,1 м³/(м^.год^.[даПа]), а традиційні дерев'яні “нещільні” вікна масової житлової забудови, характеризуються показником повітропроникності 2,0-3,5 м³/(м^.год^.[даПа]).

6. Повітрообмін помешкання в натурних умовах виконано за методом реєстрації часової зміни надлишкової концентрації СО₂ для ущільнених і розущільнених вікон. Для розущільнених вікон повітрообмін збільшується приблизно в двічі.

7. Встановлено, що форма рельєфу підстелювальної поверхні впливає на вигляд епюри розподілення аеродинамічних коефіцієнтів на навітряному фасаді моделі будинку і не впливає на її вигляд на завітряному фасаді. Розподілення аеродинамічних коефіцієнтів приблизно однакове по висоті, а для кутів атаки вітрового потоку 45^о і -45^о спостерігаються значення, які дещо перевищують 1.0, що свідчить про пришвидшення вітрових потоків у прилеглих зонах.

8. Аналізом, виконаним за допомогою математичної моделі, встановлено, що інфільтраційний повітрообмін помешкання збільшується зі зростанням швидкості вітру до 8 м/с, а у разі подальшого зростання швидкості вітру зменшується; за швидкості вітру вище ніж 9 м/с у вентиляційному каналі кухні виникає зворотна тяга.

9. За високих температур зовнішнього повітря природна вентиляція працює дуже нестабільно і непередбачувано, виникає зворотний термічний напір і не забезпечується потрібний повітрообмін. Видимими наслідками поганого вентилювання приміщення є пліснява на будівельних конструкціях, запаровані шибки вікон, притікання зовнішнього повітря каналами витікальної вентиляції. Невидимими наслідками поганого вентилювання є заподіяння шкоди здоров'ю мешканців, поступове руйнування будівельних конструкцій внаслідок накопичення в них вологи. За результатами дисертаційної роботи розроблено рекомендації щодо покращання повітрообміну приміщень житлових будинків.

Основні положення дисертації опубліковані у таких роботах

1. Жуковський С.С., Кінаш О.В. Особливості енергоощадного вентилювання помешкань зі щільними вікнами // Вісник НУ ”Львівська політехніка” Теорія і практика будівництва № 520. - Львів, 2004 - с.68-77. (Внесок здобувача - проаналізовано причини відсутності повітрообміну в помешканнях у разі застосування щільних вікон і негативні наслідки цього явища та вказані рекомендації з їхнього усунення).

2. Жуковський С.С., Кінаш О.В. Визначальні чинники природного повітрообміну помешкань і окремих приміщень багатородинних житлових будинків // Вісник НУ “Львівська політехніка” Теорія і практика будівництва № 525. - Львів, 2005. - с.61-68. (Внесок здобувача - запропоновано застосовувати “геометричний показник будинку” для одночасного оцінювання теплових потреб і повітрообміну житлових будинків).

3. Жуковський С.С., Кінаш О.В. Визначення повітрообміну помешкань і окремих приміщень багатородинних житлових будинків // Вісник ДонНАБА. Сучасні будівельні конструкції і матеріали. № 5(61). - Макіївка, 2006. - с.56-65. (Внесок здобувача - наведено значення показника повітропровідності традиційних “нещільних” вікон, проаналізовано результати досліджень природного повітрообміну для змінних швидкостей вітру і зовнішніх температур).

4. Жуковський С.С., Кінаш О.В. Визначення мінімальних одиничних витрат зовнішнього повітря для кондиціонування залів і аудиторій // Вісник ДонНАБА. №2006-6(62) - Макіївка, 2006. - с. 234-240. (Внесок здобувача - виконано розрахунковий аналіз мінімальної одиничної витрати зовнішнього повітря і розподілу приготованого зовнішнього повітря за умови забезпечення необхідного термічного комфорту).

5. Жуковський С.С., Кінаш О.В. Рекомендації щодо покращення повітрообміну приміщень житлових будинків // Видавництво НУ ”Львівська політехніка”. - Львів, 2006. - 52 с. (Внесок здобувача - опрацьовано і класифіковано основні причини незадовільного повітрообміну в термомодернізованих та новозбудованих будинках та розроблено рекомендації щодо покращання мікроклімату та забезпечення нормативного повітрообміну в житлових будинках з природною вентиляцією).

6. Жуковський С.С., Кінаш О.В. Математична модель процесів тепло- і повітрообміну помешкань за нестаціонарних умов // Вісник ДонНАБА. № 2006-6(62). - Макіївка, 2006. - с.3-9. (Внесок здобувача - запропонована спрощена математична модель тепло- і повітрообміну приміщень, яка є аналогом просторової сітки електропровідників і дає змогу розраховувати та аналізувати ці процеси у разі дії гравітаційних напорів і вітрових тисків).

7. Кінаш О.В. Інфільтрація повітря в приміщеннях житлових будинків // Збірник наукових праць. Спеціальний випуск: Сучасні тенденції в архітектурі та будівництві. - К., 2003. - с.197-198.

8. Кінаш О.В. Особливості процесів натурального повітрообміну та чинники впливу перетікання повітря в результаті інфільтрації // Збірник наукових праць. Архітектура та будівництво України в нових соціально-економічних умовах. - К., 2004. - с. 275-279.

9. Кінаш О.В. Вплив термоізоляційності і щільності вікон на тепловтрати помешкань і мікроклімат їх приміщень / Збірник наукових праць. Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди. Випуск 13. Рівне. 2005. - С.136-158.

10. Кінаш О.В., Жуковський С.С. Аеродинамічні дослідження багатоповерхового будинку з урахуванням рельєфу місцевості // 3^rd International Conference. Problems of the technical meteorology - Lviv, 2006. - P.128-136. (Внесок здобувача - проведені експериментальні аеродинамічні дослідження на моделях, оброблення і аналіз результатів).

Анотація

Кінаш О.В. Повітрообмін у приміщеннях житлових будинків і його вплив на мікроклімат. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук зі спеціальності 05.23.03 - вентиляція, освітлення і теплогазопостачання. - Донбаська національна академія будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України, Макіївка, 2007.

У дисертації досліджено вплив повітрообміну в приміщеннях житлових будинків на їхній мікроклімат.

У лабораторних умовах досліджено процеси протікання повітряного потоку через пластинчаті щілинні отвори, прототипи щілин вікон і різнопрофільні віконні щілини, а також конструкції вікон і балконних дверей. Проаналізовано процеси природного повітрообміну приміщень (помешкань) будівель із застосуванням математичних моделей і результатів експериментальних досліджень на реальних об'єктах. За допомогою математичного моделювання повітрообміну з використанням результатів експериментальних досліджень встановлено залежність між інтенсивністю повітрообміну і кліматичними та контрольованими умовами. Розроблено рекомендації щодо керування природним повітрообміном приміщень (помешкань).

У роботі запропоновано методику розрахунку систем вентилювання приміщень житлових та інших будинків за допомогою математичної моделі тепло- й повітрообміну в помешканнях за розрахункових умов, а також математичної моделі тепло- й повітрообміну в помешканнях житлових будинків за нестаціонарних умов.

Аннотация

Кинаш О.В. Воздухообмен в помещениях жилых зданий и его влияние на микроклимат. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.23.03 - вентиляция, освещение и теплогазоснабжение. - Донбасская национальная академия строительства и архитектуры Министерства образования и науки Украины, Макеевка, 2007.

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследований, приведены основные научные результаты, полученные автором, показана их научная новизна, практическое и теоретическое значение.

В первом разделе выполнен анализ современного состояния вопроса и сформулированы задачи исследований. Анализ выполненных исследований показал, что существует очень мало экспериментальных и натурных исследований влияния воздухообмена помещений на их микроклимат.

Во втором разделе приведены методики исследований в лабораторных условиях процессов протекания воздушного потока пластинчастыми щелевыми отверстиями, прототипами щелей окон и разнопрофильными оконными щелями; исследована в лабораторных условиях воздухопроницаемость оконных конструкций, ветровые воздействия на распределение давлений на поверхностях моделей зданий и прилегающих подстилающих поверхностях; выполнены в лабораторных условиях аэродинамические исследования воздухопроницаемости оконных конструкций; проведены экспериментальные исследования процесса протекания воздушных потоков на реальных объектах в натурных условиях.

В третьем разделе приведены и проанализированы результаты экспериментальных и аналитических исследований воздухообмена в помещениях.

Анализ результатов экспериментальных исследований аналогов щелевых оконных отверстий единичной длины выполнен с применением программ статистической обработки данных с целью определения математической зависимости между параметрами воздухопроницаемости аналогов щелевых отверстий окон и балконных дверей и перепадами давлений воздуха.

На основании выполненного анализа установлено, что определяющими факторами процессов естественного воздухообмена квартир и отдельных помещений многоквартирных жилых зданий являются: термический напор, действие ветра, архитектурно-конструктивные особенности здания и внутренняя планировка помещений, негерметичность внешних и внутренних строительных конструкций.

В четвертом разделе приведены результаты исследований проблем микроклимата квартир.

Установлено, что не полностью или не качественно реализованные энергосберегающие мероприятия приводят к заражению бактерийной микрофлорой внутреннего воздуха, содействуют развитию грибка на внешних ограждающих конструкциях или отравлению углеводородом людей в помещениях с газовыми установками. Они указывают на возможность псевдоэнергосбережения с тяжелыми хозяйственными и общественными последствиями.

Благодаря применению систем вентиляции с гигроуправляемыми воздухораспределителями и вентиляционными решетками воздухообмен помещений квартир автоматически приспосабливается к потребностям, которые изменяются в зависимости от способа эксплуатации помещений, параметров внешнего воздуха и других факторов.

В пятом разделе предложена методика расчета систем вентиляции помещений жилых и других зданий при помощи математической модели тепло- и воздухообмена в квартирах при расчетных условиях, а также математической модели тепло- и воздухообмена в квартирах при нестационарных условиях.

Abstract

Kinash O.V. Air exchange in the premises of dwelling houses and its effects on micro climate. - Manuscript.

A dissertation for obtaining a scientific degree of a Candidate of Technical Sciences in specialty 05.23.03 - Ventilation, Lighting and Heat Supply. - Donbass National Academy of Building and Architecture at the Ministry of Education and Science of Ukraine, Makiyivka, 2007.

The dissertation presents research of the effects of air exchange in premises of dwelling houses on their micro climate.

The laboratory conditions were used to study the processes of air stream flow through laminated slots, window slits prototypes and window slots of various profiles as well as various entrance doors and balcony doors structures. The processes of natural air exchange in the (dwelling) premises of buildings have been analyzed using mathematical models and the results of experimental investigations on real objects. With the help of air exchange mathematical modeling with the use of the results of experimental investigations there has been established the dependency between air exchange intensity and climatic and controlled conditions. Recommendations on controlling natural air exchange in (dwelling) premises have been developed.

The methods of calculating ventilation systems in premises of dwelling houses and other types of buildings using the mathematical model of heat and air exchange in dwelling premises in design conditions are offered as well as mathematical models of heat and air exchange in premises of dwelling houses in changeable conditions.

Размещено на Allbest.ru