В нашей стране в многоэтажных жилых зданиях массово применяется вентиляция с естественным побуждением – это вентиляция, осуществляемая под действием разности температур наружного и внутреннего воздуха (тепловой напор, гравитационное давление) и действия ветра (ветровой напор) [1]. Гравитационное давление определяется разностью температур наружного и внутреннего воздуха и высотой вентиляционной шахты, поэтому существенно меняется в зависимости от погодных условий и различается на разных этажах здания.
Ветровое давление изменяется пропорционально квадрату скорости ветра и зависит от аэродинамических коэффициентов; соответственно, меняется при изменении скорости и направления ветра. Кроме того, может меняться ветровой режим местности – например, после строительства нового здания окружающая застройка может оказаться в аэродинамической тени.
Естественная вентиляция: основные недостатки
Из самого определения естественной вентиляции следует и ее основной принципиальный недостаток – изменение кратности воздухообмена при изменении наружной температуры. Это приводит к тому, что в переходный и теплый периоды года естественная вентиляция перестает работать, а в холодный период воздухообмен существенно превышает нормативное значение, что может приводить к выхолаживанию квартир.
Согласно п. 7.1.12 СП 60.13330.2020 [2], при оборудовании жилых помещений естественной вытяжной вентиляцией располагаемое давление и параметры сети следует рассчитывать на разность плотностей наружного воздуха с температурой 5 °С и внутреннего воздуха с температурой, расчетной для холодного периода года. Если температура наружного воздуха превышает 5 °С, естественная вентиляция в многоэтажных жилых зданиях фактически перестает работать. Как писали авторы справочного пособия к СНиП 2.08.01-89 «Отопление и вентиляция жилых зданий», «производительность вытяжной вентиляции в теплый период года не нормируется в связи с возможностью осуществления воздухообмена через открытые окна» [3]. Очевидно, что проветривание через открытые окна не всегда возможно. Если окна выходят на оживленную улицу, открытие окон нарушает акустический комфорт. Через открытые окна в помещение может поступать пыль, механические загрязнители.
Недостаточный воздухообмен при высоких температурах наружного воздуха – принципиальный недостаток естественной вентиляции. Но и избыточный, сверхнормативный воздухообмен также вреден – открывание окон в холодное время приводит к выстуживанию помещений и перерасходу энергии, затрачиваемой системой отопления на подогрев поступающего наружного воздуха.
Проблема герметичных окон
С герметичностью современных оконных конструкций связана одна из основных проблем естественной вентиляции многоэтажных жилых зданий. В упомянутом выше справочном пособии [3] прямо указано: «замещение происходит за счет наружного воздуха, поступающего через неплотности наружных ограждений (главным образом оконного заполнения) всех помещений квартиры». Замена окон на герметичные приводит к тому, что приток воздуха через неплотности оконных заполнений прекращается, что фактически приводит к прекращению вентиляции. В этих условиях жители квартир обычно открывают окна, что приводит, во-первых, к перерасходу энергии, во-вторых, создает дискомфорт: «известные элементы стандартных окон (форточки, узкие створки) не обеспечивают из-за сложности плавного регулирования их открывания нормируемого притока. Поступающий через них наружный воздух создает дискомфорт в рабочей зоне помещений (ощущение дутья). Указанные элементы могут использоваться для залпового проветривания, но не пригодны в качестве постоянно действующих приточных устройств, обеспечивающих нормативный воздухообмен квартир» [3].
Еще на один опасный аспект длительного открывания окон в холодное время года указывал известный специалист в области отопительных приборов В. И. Сасин [4]: «Из опыта эксплуатации отопительных приборов известны случаи, когда из-за локального попадания струи холодного воздуха из окна, открытого в режиме зимнего проветривания, локально замерзали и лопались отопительные приборы. Обычно такому замерзанию подвержены чугунные и, в меньшей степени, алюминиевые радиаторы. Конвекторы в этом случае практически никогда не замерзают. <…> Предпочтительнее использовать для проветривания традиционные для нашей страны форточки».
В некоторой степени улучшить ситуацию позволяет функция щелевого проветривания, или, как его еще называют, микропроветривания. В этом случае конструкция запирающей рукоятки оконной створки предусматривает положение, в котором створка неплотно прилегает к оконной раме, по периметру образуется щель, через которую в помещение поступает приточный воздух. Однако при этом расход воздуха по-прежнему будет переменным, а в обитаемой зоне помещения будет наблюдаться дискомфорт по температуре и подвижности воздуха.
Приточные устройства
Обеспечить необходимый расход приточного воздуха, предупредив при этом появление дискомфортных зон, возможно за счет использования специализированных приточных устройств. Их применение регламентируется действующими нормативными документами: согласно п. 7.1.12 СП 60.13330.2020 [2], поступление наружного воздуха в помещения при этом следует предусматривать через специальные приточные устройства в наружных стенах или окнах или через индивидуальные приточно-вытяжные устройства. Преимущества даже самых простых приточных устройств состоит в том, что они обеспечивают приток, при правильном монтаже позволяют избегать неприятных потоков холодного воздуха, а также, в отличие от окон и форточек, отвечают требованиям шумозащиты. Применение приточных устройств в квартирах многоэтажных жилых зданий с герметичными окнами – необходимое условие организации воздухообмена.
Регулируемая естественная вентиляция
При применении приточных устройств появляется возможность перехода от нерегулируемой вентиляции с переменным расходом воздуха к вентиляции регулируемой, которая в простом варианте обеспечит нормативный воздухообмен (нормализацию воздухообмена) без перерасхода приточного воздуха и, соответственно, энергии на его подогрев, а в более продвинутом – регулирование по потребности, что обеспечивает уже экономию энергии.
Необходимость нормализации воздухообмена отмечали авторы справочного пособия еще в 1989 году: «с учетом изменения располагаемого давления в течение отопительного сезона (в 10–15 раз) и тенденции к максимальному сокращению воздухопроницаемости окон (для уменьшения перерасхода теплоты при низких температурах наружноговоздуха) необходим переход от неорганизованной переменной инфильтрации (как во времени для одного помещения, так и для здания по высоте и ориентации фасадов относительно направления ветра) к организованному регулируемому притоку наружного воздуха с помощью специальных устройств» [3]. О некоторых конструкциях таких клапанов см. ниже.
В современных зданиях с высокими показателями тепловой защиты теплопотери через оболочку (трансмиссионные) сравнимы или даже ниже затрат энергии на подогрев вентиляционного воздуха. При этом дальнейшее повышение теплозащитных характеристик требует значительных капитальных затрат. Таким образом, существенное повышение энергоэффективности многоэтажных жилых зданий возможно именно за счет сокращения затрат энергии на подогрев вентиляционного воздуха, что, в свою очередь, возможно при реализации следующих мероприятий:
- утилизация теплоты вытяжного воздуха для подогрева приточного или его использования в качестве низкопотенциального источника;
- использование нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ) и вторичных энергоресурсов для подогрева приточного воздуха;
- регулирование воздухообмена по потребности – снижение расхода воздуха в часы, когда помещение не используется.
Утилизация теплоты вытяжного воздуха реализуется при оборудовании зданий механической вентиляцией, а использование НВИЭ требует индивидуальной проработки проектов (примеры применения двух этих технологий приведены в [5]). Таким образом, для многоэтажных жилых зданий массовой застройки с высокими показателями тепловой защиты, оборудованных системами естественной вентиляции, наиболее перспективным направлением снижения затрат энергии на климатизацию следует признать внедрение регулируемой вентиляции. На эту возможность указывали, в частности, И. Ф. Ливчак и А. Л. Наумов в монографии «Вентиляция многоэтажных жилых зданий» [6]: «Дополнительная экономия тепловой энергии на подогрев вентиляционного воздуха может быть достигнута при индивидуальном регулировании производительности приточных клапанов».
В Рекомендациях АВОК 5.4.1-2020 «Расчет и проектирование регулируемой естественной и гибридной вентиляции в многоэтажных жилых домах» [1] вентиляция, регулируемая по потребности, определяется как вентиляция, предусматривающая возможность автоматического регулирования воздухообмена в зависимости от фактической заполняемости помещений людьми.
О типах устройств
С точки зрения возможности регулирования воздухообмена приточные устройства можно разделить на следующие типы:
- нерегулируемые приточные устройства;
- приточные устройства с ручным регулированием;
- автоматические приточные устройства с постоянным расходом воздуха;
- автоматизированные приточные устройства с переменным расходом воздуха.
(Два необходимых примечания: 1) указанное подразделение справедливо и для вытяжных устройств; 2) существуют устройства с внешним управлением от системы автоматизации, но их целесообразно рассматривать отдельно.)
В данной классификации используются определения по ГОСТ Р 55060-2012 «Системы управления зданий и сооружений автоматизированные. Термины и определения», в соответствии с которыми регулирование (управление) разделяется на ручное, автоматическое и автоматизированное:
- ручное управление: режим управления, при котором все функции управляющего оборудования выполняются человеком – оператором или пользователем;
- автоматическое управление: режим управления, при котором все функции управляющего оборудования выполняются без вмешательства человека;
- автоматизированное управление: режим управления, при котором только часть функций управляющего оборудования выполняется без участия человека.
Нерегулируемые приточные устройства обеспечивают поступление наружного воздуха в жилые помещения, оборудованные герметичными окнами, и его распределение по помещению таким образом, чтобы предупредить появление потоков холодного воздуха, вызывающих дискомфорт. Нерегулируемые приточные устройства могут оснащаться ограничителями расхода воздуха, элементами шумоглушения, сетками от насекомых, защитой от повышенного ветрового давления.
Автоматические приточные устройства обеспечивают постоянный расход воздуха при переменном давлении (например, при изменении температуры наружного воздуха). Принцип их действия заключается в том, что при увеличении перепада давления автоматически либо уменьшается площадь проходного сечения, либо увеличивается коэффициент местного сопротивления, либо изменяются оба этих параметра, и наоборот.
Ф. Ливчак и А. Л. Наумов приводят описание некоторых типов таких приборов [6]: «Известны конструктивные решения, сравнительно просто реализующие устройства постоянного расхода воздуха. Первое (рис. 1а) представляет собой пластину, свободно вращающуюся вокруг горизонтальной оси. Под действием перепада давления пластина отклоняется, изменяя живое сечение для прохода воздуха. Чем больше перепад давления, тем больше отклонение пластины и тем меньше сечение канала для прохода воздуха. Давление на пластину уравновешивается силой тяжести. Во втором устройстве (рис. 1б) используются упругие свойства пластины. Перепад давления отклоняет пластину, заставляя ее упруго выгибаться и менять сечение канала. В третьем устройстве (рис. 1в) применяется эластичный резервуар, изменяющий свой объем при перемене перепада давления».
Автоматизированные приточные устройства с переменным расходом воздуха поддерживают некоторый расход воздуха автоматически, но допускают и ручное управление (поэтому и относятся к классу автоматизированных). Как правило, регулируемые приточные устройства могут иметь возможность функционирования в одном из трех режимов [1]:
- прикрыто – минимальный расход воздуха. Режим предназначен для снижения притока воздуха в случаях продолжительного отсутствия людей в квартире, а также при неблагоприятных погодных условиях – сильных морозах, ветре или в случае недостаточной мощности системы отопления (такие случаи могут иметь место, как правило, в переходные периоды года);
- автоматическое регулирование – переменный расход воздуха. Режим подразумевает автоматическое регулирование расхода наружного воздуха в зависимости от режима использования помещения (по уровню относительной влажности, концентрации CO2 и т. д.);
- открыто – максимальный расход воздуха. При данном режиме заслонка приточного устройства находится в постоянно открытом положении.
Еще раз обратим внимание на важное различие устройств с постоянным и переменным расходом воздуха: если первые обеспечивают постоянный нормативный воздухообмен при изменении перепада давления, то вторые регулируют воздухообмен в зависимости от концентрации загрязнений в помещении, т. е. в зависимости от режима его использования.
Одними из наиболее распространенных приточных устройств с переменным расходом воздуха являются регулируемые по влажности (гигрорегулируемые) приточные устройства. Их принцип действия основан на изменении геометрических размеров специального датчика при изменении влажности (устройство чисто механическое и не требует электропитания). Деятельность человека связана с выделением влаги, и изменение уровня влажности помещений является хорошим индикатором концентрации вредностей (так, запотевание окон в спальне утром свидетельствует о проблемах с вентиляцией в квартире). При отсутствии в помещении людей влажность минимальна, клапан приточного устройства находится в положении, обеспечивающем минимальный расход воздуха (некоторый минимальный расход воздуха необходим для предупреждения обмерзания клапана). Если в помещении находятся люди, влажность повышается, увеличивается расход воздуха. При увеличении количества людей или при их высокой физической активности влажность еще более увеличивается, соответственно, клапан будет еще больше открываться.
О влажности воздуха в холодный период и нормализации расхода
Иногда высказываются сомнения в эффективности гигрорегулируемых приточных устройств в очень холодное время года:
- во-первых, упоминается об угрозе обмерзания клапана,
- во-вторых, при низком влагосодержании наружного воздуха клапан гигрорегулируемого приточного устройства будет максимально прикрыт.
Один из авторов данной статьи уже достаточно длительное время эксплуатирует устройства такого типа и имел возможность убедиться, что даже при сильных морозах никакого обмерзания не происходит. Собственно, сама конструкция клапана предусматривает некоторый минимальный расход воздуха даже в максимально прикрытом состоянии. Этого расхода вполне хватает для предупреждения обмерзания.
Что касается второго сомнения, то, действительно, при низкой температуре наружного воздуха его влагосодержание очень низкое. Но в этом случае перепад давления на клапане существенно возрастает, поэтому уменьшение площади проходного сечения не занижает расход воздуха – наоборот, в данных условиях происходит скорее нормализация притока, устранение сверхнормативного расхода приточного воздуха. Исходя из опыта эксплуатации, в сильные морозы обычно клапан вручную прикрывается в режим минимального расхода – этого вполне достаточно для обеспечения комфортных условий в помещении.
Натурные испытания приточных клапанов различных конструкций с замерами температуры и влагосодержания приточного воздуха и воздуха в помещении в условиях низких температур (до –27 °C) проведены [8].
О расчете расхода воздуха, внутриквартирных перетоках и надплитных зонтах
Имеет место ряд публикаций, авторы которых, воспользовавшись заводскими техническими характеристиками приточных устройств, а именно заявленным значением расхода воздуха, выполняют расчет воздухообмена отдельного помещения и на его основе делается вывод об эффективности вентиляции. Такого рода расчеты изначально имеют неверный посыл. Дело в том, что в заводских спецификациях приборов указывается расход воздуха при перепаде давления 10 Па. Но разность давлений может существенно меняться: давление на наружной поверхности зависит от высоты этажа, температуры наружного воздуха, скорости и направления ветра, аэродинамики здания и окружающей застройки; в свою очередь, внутреннее давление будет меняться не только на разных этажах, но и в пределах одного этажа в зависимости от системы вентиляции, геометрии здания, наличия плотных преград, перегородок и т. д. (подробнее см. [7]).
Поэтому для определения реального расхода воздуха необходим не расчет отдельного элемента системы – приточного устройства, а расчет всей системы – приточного устройства, внутренних перегородок, вытяжного устройства, воздуховодов и т. д.
Сам по себе точный расчет с учетом наружной и внутренней геометрии здания и других многообразных факторов достаточно сложный, выполняется методами CFD-моделирования. Для практических инженерных расчетов можно использовать методику, приведенную в [1].
Наиболее эффективно регулирование воздухообмена в системах естественной вентиляции достигается в том случае, если используются и регулируемые приточные, и регулируемые вытяжные решетки.
Следует обратить особое внимание на обеспечение перетока внутри квартиры для беспрепятственного движения воздуха из жилых комнат в кухни и санузлы. В [3] указывалось: «При посемейном заселении квартир, на которое ориентировано современное жилищное строительство, внутриквартирные двери, как правило, открыты или имеют подрезку дверного полотна, уменьшающую их аэродинамическое сопротивление в закрытом положении. Так, например, щель под дверями ванной и уборной должна быть не менее 0,02 м высотой».
В Рекомендациях АВОК 5.4.1-2020 [1] для беспрепятственного движения воздуха в квартирах рекомендуется использовать переточные решетки, установленные в межкомнатных дверях или стенах, либо подрезы дверного полотна межкомнатных дверей (щели между полом и нижней частью дверного полотна) 15–20 мм в зависимости от ширины полотна. И, конечно, необходимо обеспечить нормальную вытяжку. Наиболее часто прекращение работы вентиляции происходит в случае вывода вытяжки от надплитного зонта в общую шахту. При этом происходит фактически прекращение воздухообмена не только в кухне, но и во всей квартире при неработающей вытяжке; включение вытяжки приводит, в свою очередь, к опрокидыванию вентиляции ниже и вышележащих квартир данного вентблока.
О необходимости установки приточных устройств на кухне
Среди специалистов нет единого мнения о целесообразности установки приточных устройств в кухнях. В ряде источников рекомендуется устанавливать приточные устройства во всех помещениях квартиры, включая и кухни. Но, с другой стороны, отмечается, что в этом случае воздух поступает напрямую из приточного устройства кухни к вытяжной решетке, что приводит к фактическому прекращению движения воздуха из жилых комнат к этой же кухонной вытяжной решетке. И. Ф. Ливчак и А. Л. Наумов указывают [6]: «Здесь уместно заметить, что для обеспечения подсоса приточного воздуха через подоконные щели в жилых комнатах зданий, оборудованных вытяжной вентиляцией и децентрализованным притоком, следует добиваться возможно большей герметизации окон, особенно в кухнях».
Регулируемые приточные устройства – не альтернатива механической вентиляции
В ряде публикаций регулируемые приточные устройства противопоставлялись механическим системам вентиляции. Конечно же, не следует воспринимать системы естественной, пусть даже и регулируемой вентиляции как альтернативу системам механической приточно-вытяжной вентиляции. Регулируемое приточное устройство можно рассматривать как альтернативу форточкам, фрамугам, открывающимся створкам окон. На самом деле это практически обязательный элемент в зданиях с естественной вентиляцией, оборудованных герметичными окнами.
Такие окна с высокими теплозащитными характеристиками устанавливаются в т. ч. с целью снижения теплопотерь, но недостаточный воздухообмен вынуждает жителей квартир открывать окна, тем самым сводя весь эффект энергосбережения от их установки к нулю.
Как писал В. И. Ливчак [9]: «До оборудования наших зданий типовых серий окнами, изготовленными по европейской технологии, проблема заключалась в избыточности воздухообмена в помещениях квартиры из-за большой воздухопроницаемости оконных проемов и, соответственно, в перерасходе тепла на отопление. <…> Теперь воздухопроницаемость новых окон в закрытом состоянии даже в условиях расчетной наружной температуры не обеспечивает нормативного воздухообмена в квартирах под действием естественного гравитационного напора».
Таким образом, систему естественной вентиляции с регулируемыми приточными устройствами следует сопоставлять не с механической, а с нерегулируемой естественной вентиляцией. Установка специальных приточных устройств не просто оправданна, но необходима в зданиях с герметичными окнами.
Гибридная вентиляция
В заключение следует еще раз отметить, что в любом случае даже усовершенствованная система естественной вентиляции не решает проблему обеспечения воздухообмена в летний период. Один из возможных путей решения – дальнейшая модернизация системы путем перехода к гибридной (естественно-механической) вентиляции. Гибридная вентиляция в холодный и переходный периоды года работает как естественная, а в теплый период – как механическая, при этом включает в себя устройства принудительного перемещения (удаления) воздуха и конструктивно предусматривает работу в обоих режимах [1].
Применение гибридной вентиляции регламентируется п. 7.1.8 СП 60.13330.2020 [2], в котором указывается, что при использовании гибридных систем вентиляции с естественным притоком и удалением воздуха в холодный и переходный периоды и с механическим побуждением воздухообмена в теплый период года вентиляторы таких систем рекомендуется принимать с поддержанием расчетного разрежения на всасывающем патрубке за счет применения регулируемого привода для возможности использования естественного побуждения в переходный и холодный периоды года.
Существуют технические решения, позволяющие использовать гибридные вентиляторы на оголовках существующих систем естественной вентиляции многоэтажных жилых зданий, что дает возможность реконструкции и модернизации вентсистем при капитальном ремонте существующего жилого фонда.
Литература:
1. Рекомендации АВОК 5.4.1-2020 «Расчет и проектирование регулируемой естественной и гибридной вентиляции в многоэтажных жилых домах».
2. СП 60.13330.2020 «СНиП 41-01-2003 Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха».
3. Справочное пособие к СНиП 2.08.01-89 «Отопление и вентиляция жилых зданий».
4. Отопительные приборы в современном строительстве // АВОК. – 2007. – № 8.
5. Табунщиков Ю. А., Бродач М. М., Шилкин Н. В. Энергоэффективные здания. – М.: АВОК-ПРЕСС, 2003.
6. Ливчак И. Ф. Наумов А. Л. Вентиляция многоэтажных жилых зданий. – М.: АВОК-ПРЕСС, 2005.
7. Табунщиков Ю. А., Шилкин Н. В. Расчет разности давлений воздуха на наружной и внутренней поверхностях ограждающих конструкций высотных зданий // АВОК. – 2021. – № 3.
8. Кривошеин А. Д. Обеспечение регулируемого притока воздуха в жилых зданиях: проблемы и решения // АВОК. – 2018. – № 4–5. 9. Ливчак В. И. Решения по вентиляции многоэтажных жилых зданий // АВОК. – 1999. – № 6.
Источник: