Аэрация. 
Вентиляция: теоретические основы расчета

Аэрацией называют организованный естественный воздухообмен общеобменной безканальной вентиляции, происходящий под действием гравитационного, ветрового давлений или при их совместном действии.

В теплый период года аэрацию можно применять практически для всех производств, кроме, естественно, тех, где требуется по условиям технологии предварительная обработка воздуха. Для использования аэрации в холодный период года необходимо наличие избытков теплоты в помещении, достаточной для нагревания расчетного объема воздуха, и отсутствие значительных влаговыделений, могущих привести к туманообразоваНию.

Очень часто аэрацию применяют совместно с механической вентиляцией, особенно с местной вытяжной и местной приточной. Аэрация может быть комбинированная с системами общеобменной механической вентиляции. Например, механический приток и естественное удаление воздуха, или естественный приток и механическое удаление воздуха.

Наиболее просто решается аэрация для помещений, имеющих наружные ограждения (однопролетные цехи). Применение аэрации для двухи трехпролетных цехов, а также для многоэтажных цехов возможно, хотя при этом встречаются значительные технические трудности.

В многопролетных цехах аэрационных проемов в наружных ограждениях часто оказывается недостаточно и поэтому приходится подавать воздух сверху из межфонарных пространств* В связи с этим возникает необходимость чередовать горячий и холодный проемы цеха. Наружный воздух через фонари холодных проемов поступает в здание и распределяется по соседним горячим пролетам. Следует иметь в виду, что действие приточной струи, поступающей в помещение естественным путем, ограничено по протяженности и поэтому при применении аэрации в широких цехах могут образовываться невентилируемые зоны ('воздушные мешки').

Важными факторами, обеспечивающими эффективную организацию аэрации, являются рациональное размещение технологического оборудования, служащего источником тепловыделений, и надлежащее строительное оформление здания, предусматривающее регулируемые отверстия в наружных стенах и фонарях.

Широкое применение аэрации обусловлено в первую очередь незначительными эксплуатационными затратами. Однако область действия аэрации ограничена и поэтому ее нельзя применять в следующих случаях:

если предъявляются жесткие требования к микроклимату, в частности, в помещениях с искусственным климатом;

если приток наружного воздуха вызывает образование тумана или конденсата, например, при подаче холодного наружного воздуха в помещения с влаговыделениями;

если в помещениях имеются мощные источники пылеи газовыделений, которые могут загрязнять окружающую среду.

Теоретические основы аэрации разработаны советскими учеными В. В. Батуриным, С. Е. Бутаковым, П. Н. Каменевым, В. Н. Талиевым [2].

При расчете аэрации рассматриваются все три задачи воздушного режима здания (см. с. 144):

внешняя задача — определение располагаемых давлений, обеспечивающих естественный воздухообмен;

краевая задача — определение характеристик сопротивления воздухопроницанию через аэрационные проемы, составление уравнения воздушного баланса, определение площадей аэрационных проемов;

внутренняя — расчет полей скоростей, температур и концентраций вредных выделений. Последняя задача наиболее сложная и малоизученная.

Ввиду сложности задачи при расчете аэрации вводятся следующие допущения:

тепловой и воздушный режимы здания считают установившимися;

изменение температуры воздуха по высоте помещения подчиняется линейно-ступенчатому закону;

при определении расхода воздуха через аэрационные проемы не учитывают их высоту, пренебрегая изменением разности давлений по ве|ггикали;

при составлении баланса воздуха помещения не учитывают неорганизованный воздухообмен.

Расчет аэрации помещения основывается на принципе сообщающихся сосудов, когда воздух, имеющий большую плотность (обычно это наружный воздух), вытесняет воздух, имеющий меньшую плотность (обычно это воздух помещения). Впервые основы аэрации теоретически обосновал М.В.Ломоносов^[1].

Расчет аэрации производственных зданий, как правило, состоит в определении площади проема, через который проходит воздух, при известном воздухообмене. Это так называемая прямая задача аэрации. Реже, обычно при проверочных расчетах, решается обратная задача: расчет воздуха, проходящего через заданную площадь проема.

Известно, что для перетекания воздуха (жидкости) через какойлибо проем (отверстие) необходимо создать разность давления др по обе стороны этого проема (рис. 5.8), т. е.

где р₁ , — давления в какой-либо плоскости с одной и другой стороны проема, Па.

Для отверстий, в которых толщина стенки 8 значительно меньше высоты проема I, можно пренебречь потерями на трение и считать, что все давление д р расходуется только на преодоление местного сопротивления:

где? — коэффициент местного сопротивления проема; v ;

средняя скорость воздуха в проеме, м/с;

Рис. 5.В. Схема движения воздуха через аэрационный проем.

Из уравнения (5.40) следует, что.

где у — коэффициент расхода, у^[1]= 1 / ?^0,5

Рассмотрим расчет аэрации для наиболее неблагоприятного с точки зрения естественного воздухообмена случая, когда скорость ветра равна нулю. В этом случае, т. е. в условиях действия только гравитационных сил, разность давления др можно выразить через высоту столба воздуха Ь, м, и его плотность, кг/м^, снаружи р_н и внутри р_в здания:

При известном W массовый секундный расход воздуха через проем G с учетом зависимостей (5.41) и (5.42) равен:

где F⁵" у F — эквивалентная плошадь проема, м2; F — площадь проема, м2.

По расходу воздуха G или L из формулы (5.43) легко определить необходимую плошадь аэрационного отверстия F или угол открытия, например, фонаря (см. рис. 5.8), так как.

где к — коэффициент^ зависящий от конструкции фонаря м.

Определение высоты столба воздуха в формуле (5.42) — одна из сложнейших задач вентиляции. Исследованиями В. В. Батурина, В. М. Эльтермана [2] установлено, что при естественном воздухообмене внутри помещения имеет место нейтральная плоскость, где внутреннее избыточное давление (разность давления внутри и снаружи здания) д р равно нулю. Знание отметки расположения этой плоскости необходимо для решения задач аэрации, воздушных завес, инфильтрации воздуха и т. д.

Более поздними исследованиями, в основном Е. В. Кудрявцева, И. А. Шепелева, И. Ф. Ливчака, доказано, что при наличии достаточно мощных источников теплоты помещение по вертикали разделяется так называемым температурным перекрытием на две зоны: нижнюю, более холодную и верхнюю, более теплую с примерно постоянными для каждой зоны температурами воздуха.

Проведенный анализ [16] показал, что нейтральная плоскость и температурное перекрытие (его нижняя отметка) при определенных условиях, например, при аэрации помещения в теплый период года, совпадают или почти совпадают. Следовательно, отыскание высоты расположения нейтральной плоскости Ь [ см. формулу. (5.42)J можно значительно упростить.

Для вывода расчетных зависимостей рассмотрим однопролетное одноэтажное здание с проемами в нижней и верхней зонах (рис. 5.9).

Рис. 5.9. Расчетная схема аэрации однопролетного одноэтажного здания.

Внутри здания находится источиих теплоты, в силу чего температура воздуха внутри здания выше, а его плотности ниже, чем снаружи, и, следовательно, нижний проем работает на приток (давление направлено внутрь здания), а верхний — на вытяжку (давление направлено из здания). При такой предпосылке между проемами находится нейтральная плоскость, где разность давления лр = О. Совмещая нейтральную плоскость с температурным перекрытием, представим объем помещения, разделенным по высоте на две зоны: внутреннюю нижнюю (индекс 'вн*) и внутреннюю верхнюю (индекс 'вв') с постоянным для каждой зоны температурами воздуха и t_ee «и следующими соотношениями t_ee> t_eH > t_M, р_и>р_ви >р_#в («рн ~ температура и плотность наружного воздуха).

Совместим линию давления & р = О с осью ж (см. рис. 5.9). Обозначим через й расстояние от низа приточного отверстия до верха вытяжного, а через й _н и й _в — соответствующие расстояния до линии давления Ар =0. Выделим в приточном и вытяжном проемах площадки на расстоянииу и + у, через которые протекают элементарные расходы воздуха d G _м и dG_e, вызванные элементарными скоростями dv_H и. Зависимости для элементарных скоростей получим путем дифференцирования уравнения (5.41) с учетом выражения (5.42) и заменой к на у: для нижнего проема .*

для верхнего проема.

Проинтегрировав выражение (5.45) и (5.46) в пределах соответственно от О до Ji _н и от к_в до О, получим формулы для скоростей воздуха в нижнем.

и верхнем.

проемах, графическое изображение которых показано эпюрой скорости на рис. 5.9.

По физической сути аэрации, работающей без применения или при сбалансированной механической вентиляции, G_H = G _# «G (здесь С» и а_# — массовый расход воздуха, поступающего через нижние и уходящего через верхние аэрационные проемы). Тогда с учетом зависимостей (5.43), (5.47) и (5.48) имеем.

откуда

Так как k^r k — k_M (см. рис. 5.9), то расстояние от центра приточных проемов до нейтральной плоскости равно.

Заменим в выражении ^5.49) отношение разностей плотностей разностью температур воздуха [ошибка при (t_iH-t_H)4 5° С и (t_#f — t_H)? 15° С менее 3%]:

и причем Ри//вн ^e 1 [ошибка при (t_ee-t_H)?15° С не более 6^. Учтем также [см. формулу (3.34)], что отношение температур в зависимости (5.50) не что иное, как обратная величина коэффициента воздухообмена Тогда формула (5.49) после простых Преобразований примет следующий вид:

Аналогично рассуждая, получаем формулу для определения расстояния от нейтральной плоскости до центра вытяжных проемов:

Методика расчета аэрации. Задаются соотношением эквивалентных площадей приточных (нижних) и вытяжных (верхних) отверстий: F^/F_B*. Это соотношение для обеспечения устойчивей работы аэрации принимают больше единицы, т. е. FjJ / F* «1 f 1,2. Рассчитывают по формулам (5.51) или (5.52) расстояние от нейтральной плоскости до центра нижних Ц _н или верхних h _е отверстий. Если верхние или нижние отверстия находятся на разных уровнях, то определяют к_н или к₀ для каждого уровня и берут среднее арифметическое значение. При вычислении К_м высоту й₀ находят как К — к_и, или наоборот.

Вычисляют по формуле (5.42) разность давлений, определяющих перетекание воздуха через нижние.

или верхние отверстия.

Находят по формуле.

эквивалентную площадь приточных отверстий. Эквивалентную площадь вытяжных отверстий определяют из принятого соотношения F?/ или по формуле.

Для нижних или верхних отверстий, расположенных на разных уровнях, производят распределение через них соответствующих расходов воздуха и рассчитывают по формулам (5.53) или (5.54) необходимые площади.

Зная эквивалентную площадь F, можно:

задаваясь коэффициентом расхода у для определенной конструкции аэрационного отверстия, например фонаря [2], из тождества F = jj F определить площадь отверстия F; принимая по строительным чертежам максимально возможную площадь аэрационного отверстия F'" ^e*npn угле открытия створок fi = 90° (см. рис. 5.8), найти по F⁹= у p^meX коэффициент рархода yi и по (5.44) угол открытия створки.

• [1] Ломоносов М. В. О вольном движении воздуха, в рудникахпримеченном//Первые основания металлургии или рудничных дел. Спб, 1769.
• [2] Ломоносов М. В. О вольном движении воздуха, в рудникахпримеченном//Первые основания металлургии или рудничных дел. Спб, 1769.