ОТОПЛЕНИЕ И ВЕНТИЛЯЦИЯ

ЭПЮРЫ ДАВЛЕНИЯ ВОЗДУХА НА ОГРАЖДЕНИЯ ЗДАНИЯ

Разность плотностей наружного и внутреннего воздуха, действие ветра и систем вентиляции создают определенное распределение дав­ления воздуха на ограждения помещений и зданий. Известно, что для высоких зданий характерно проникание наружного воздуха в помеще­ния через неплотности в ограждениях нижних этажей и обратное направление движения воздуха через неплотности в ограждениях верхних этажей. Такое движение воздуха объясняется наличием раз­ности давлений с двух сторон ограждения.

Необходимость в определении перепадов давлений с двух сторон ограждения возникла при первых попытках рассчитать естественный воздухообмен помещения через окна и вентиляционные шахты и кана­лы. Вопросы движения воздуха в трубах применительно к вентиляции подземных выработок изучались М. В. Ломоносовым. Принципы орга­низации естественного воздухообмена в зданиях сформулированы в 1795 г. нашим соотечественником В. X. Фрибе, первым предложив­шим такое понятие, как нейтральная зона, применяемое до настоящего времени.

Для расчета естественного воздухообмена в промышленных, жи­лых и общественных зданиях в настоящее время широко применяются способы нейтральной зоны, избыточных давлений (предложен проф. П. Н. Каменевым) и фиктивных давлений (предложен проф. В. В. Ба­туриным).

В этой главе подробно рассмотрен способ построения эпюр давле­ния воздуха на ограждения здания, разработанный в МИСИ имени В. В. Куйбышева, имеющий большую наглядность и простоту, чем способы, упомянутые выше. Для сравнения приведены эпюры давле­ния, построенные другими способами.

Преимуществами рассматриваемого способа являются возмож­ность обобщенного анализа воздушного режима, а также стандартность конфигурации эпюр давления для различных зданий и условий.

Известно, что в столбе жидкости или газа гидро - или аэростатиче­ское давление переменно по высоте. Изменение давления в слое газа высотой dh, м, составляет, Па:

(XVI. 1)

Где р|Г — удельный вес газа, Н/м3; dV — элементарный объем газа, м3; F — пло­щадь поперечного сечения рассматриваемого столба газа, м2.

Если заменить dV=Fdh, то из равенства (XVI.1) получим:

Dp = pgdh.

Очевидно, что давление в любом сечении столба газа на высоте

H равно:

Ft

Pk~ Pa G $P<Ih

О

Где р& — атмосферное давление на высоте h=0 (поверхность земли).

Интегрирование выражения (XVI.3) затрудняется неопределен­ностью зависимости плотности р от h (р определяется давлением, зна­чение которого является искомым). В атмосфере, например, изменение плотности воздуха по высоте зависит кроме давления от температуры. Для определения рн обычно пользуются эмпирическими уравнениями р=f(h) или термодинамическими зависимостями. При рассмотрении воздушного режима зданий (/г<С100м) можно пренебречь изменением плотности воздуха по высоте, и тогда

Pft = Pa-PЈfc. (XVI.4)

При этом погрешность в определении разности давлений составит около 1%. Абсолютное изменение давления на 1 м высоты pg" по срав­нению с атмосферным давлением ничтожно мало. Учитывая, что в даль­нейшем предстоит определять еще меньшие величины Apg", целесообраз­нее пользоваться избыточным давлением р, отсчитываемым от условно­го нуля ph=H -

Введение условного нуля, расположенного в точке системы с ми­нимальным давлением, является основной особенностью рассматривае­мого способа построения эпюр давления. Для гравитационного давле­ния эта точка находится снаружи в верхней части здания, а для ветро­вого— это точка с минимальным аэродинамическим коэффициентом. Построение эпюр давления по излагаемому способу требует некоторого навыка,* однако освоить этот способ несложно, так как эпюры имеют простейшую конфигурацию.

§ 88. ПОСТРОЕНИЕ ЭПЮР

Эпюры давления при действии на здание только гравитационных сил. Аэростатическое давление снаружи здания (линии 1 на рис. XVI. 1, а) определяется расстоянием по вертикали от точки условного нуля и плотностью наружного воздуха рн. Энюра аэростатического дав­ления снаружи здания имеет вид прямоугольного треугольника. Внутри помещения при постоянной температуре по высоте эпюра давления имеет вид трапеции. Верхнее основание — это избыточное относительно условного нуля внутреннее статическое давление ро, зависящее от рас­положения и проницаемости отверстий в наружных ограждениях. Изменение по высоте избыточного аэростатического давления внутри помещения показано линией 2.

Для расчета воздушного режима здания (помещения) используют перепады давлений на определенном уровне. Поэтому можно несколько упростить конфигурацию эпюр давления, не изменяя разности давле­ний. Вычтем из каждой эпюры статического давления на рис. XVI.1, а треугольник площадью, равной площади треугольной части внутренней эпюры 3. Оставшиеся части (заштрихованные) — снаружи треугольни­ки с основанием #Apg", а внутри прямоугольник — и являются расчет­ными эпюрами избыточного давления при действии только гравита­ционных сил.

На рис. XVI. 1,6—г показаны формы эпюр, полученных другими известными способами.

В способе «нейтральной зоны» за нуль давлений принимается давле­ние в помещении, поэтому эпюра давления снаружи (рис. XVI.1,6) представляет собой эпюру расчетной разности давлений с двух сторон ограждения Дрнз=рн—Ро -

Профессор П. Н. Каменев предложил в случае действия только гравитационных сил отсчитывать избыточное давление от давления воздуха снаружи. Эпюра внутреннего давления по этому способу (рис. XVI.1, в) эквивалентна эпюре разности давлений Арк —ро—рш.

Рассматриваемый здесь способ построения эпюр давлений близок к способу, предложенному проф. В. В. Батуриным. Отличие состоит лишь в выборе местоположения точки условного нуля давления. Эпю­ры на рис. XVI.1, г построены относительно нуля, принятого на уровне поверхности земли. Профессор В. В. Батурин назвал гравитационное давление фиктивным, имитирующим давление ветра. Вообще условный нуль отсчета давлений в этом способе не закреплен (автор предлагал принимать его на уровне середины нижнего проема). В связи с этим конфигурация эпюр фиктивного давления не имеет стандартной формы.

Эпюры давления воздуха на рис. XVI. 1, а построены для случая постоянной по высоте помещения температуры воздуха. Для расчета аэрации, в частности аэрации промышленных зданий со значительными тепловыделениями, при построении эпюр следует учитывать изменение температуры по высоте.

Эпюры давления при действии на здание только веіра. При ра­венстве температуры в помещении и снаружи изменение аэростатиче­ского давления по высоте с двух сторон ограждения одинаково и не учитывается. Набегающий на здание поток воздуха создает избыточ­ное давление с его наветренной стороны и разрежение с заветренной. Значения избыточного давления и разрежения определяются динами­ческим давлением ветра и аэродинамическими коэффициентами: с на­ветренной стороны ^аэр. н^О, с заветренной &аэр. з<0. Эпюры давления ветра на наружные поверхности здания, построенные относительно давления в окружающем воздухе вдали от здания, показаны на рис. XVI.2, а. Такое построение используется в способах, разработан­ных профессорами П. Н. Каменевым и В. В. Батуриным.

Если принять избыточное давление на заветренной стороне равным нулю, то избыточное (относительно этого нуля) давление ветра с на­ветренной стороны будет равно, Па:

Рн^н

Ра = (&аэр н — ^аэр. з) —» (XVI. 5)

Где &аэр в и £аэр з — средние по площади аэродинамические коэффициенты с на­ветренной и заветренной стороны здания; рн и va — плотность наружного воздуха и скорость ветра.

На боковых фасадах избыточное ветровое давление определяется аналогично с учетом аэродинамического коэффициента &аэрб.

Эпюры давления, создаваемого ветром снаружи и внутри здания, построенные относительно нуля давлений, принятого на заветренной стороне, показаны на рис. XVI.2, б.

По способу «нейтральной зоны» эпюра давления строится так же, как для случая действия только гравитационных сил (рис. XVI 2, в). Давление в помещении принимается равным нулю. Однако для того, чтобы выдержать давление снаружи, равное избыточному давлению, приходится условно изменять конфигурацию здания (см. рис. XVI 2,в), перемещая отверстия вниз и вверх от нейтральной зоны. Расстояния от нейтральной зоны до условного положения отверстий (hH и /і3) при этом являются искомыми величинами.

Определение избыточного ветрового давления обычно затрудняется отсутствием сведений об аэродинамических коэффициентах. Для зданий простой конфигурации, например в виде параллелепипеда, можно при­нимать средние аэродинамические коэффициенты каэра и &аЭрз равными соответственно +0,8 и —0,4. Тогда

PD ~ 0,6рні£.

Для расчета инфильтрации точность этой формулы достаточна.

Для расчета аэрации необходимо располагать данными об аэро­динамических коэффициентах для всех аэрационных отверстий k{. Их значения принимаются по справочной литературе или определяются экспериментально.

Значение избыточного ветрового давления в произвольной точке і определится по формуле

(XVI. 7)

Где йаэрг И &аэр. мин — аЭрОДИНЭМИЧеСКИЙ КОЭффйЦИеНТ СООТВЄТСТВЄННО В ТОЧКЄ I и минимальный для рассматриваемого здания.

Здесь для простоты рассмотрен случай, когда величина ki постоянна по высоте, однако все выводы могут быть распространены и на случаи изменяющихся по фасаду аэродинамических коэффи­циентов.

Эпюры давления при совместном действии на здание ветра и гра­витационных сил. Суммарные эпюры давления получаем, складывая эпюры на рис. XVI.1, а и XVI.2, б. Суммарная эпюра давления (рис. XVI.3, а) с наветренной стороны здания имеет форму трапеции. Верхнее основание ее pv, нижнее HApg--pv. С заветренной стороны суммарная эпюра давления — треугольник с основанием HApg. Внутри помещения избыточное давление постоянно по высоте и равно ро. Вели­чина ро определяется решением уравнения баланса воздуха в по­мещении.

В общем случае для определения расчетного избыточного давления снаружи здания, имеющего п отверстий, необходимы следующие дан­ные: хемпеРатУРа наружного и внутреннего воздуха, скорость ветра, расстояния от центра отверстий до верха здания hi, h2, ..., hi, ..., hn, аэродинамические коэффициенты у наружной поверхности здания в ме­стах расположения отверстий &аэр1, ^аэр2, &аэрІ, &аэрте -

Избыточное давление снаружи здания на уровне центра отдельных отверстий

Pi — hi Дpg - f (&аэрг— баэр. мин) ~~.

На рис. XVI.3, б, в, г показаны суммарные эпюры давления, по­строенные соответственно по способам П. Н. Каменева, В. В. Батурина и «нейтральной зоны».

" Эпюры относительного избыточного давления воздуха на огражде­ния здания. Выбор местоположения точки нуля отсчета давлений явля­ется в большой степени условным. Однако расположение ее в верхней части здания в большинстве случаев позволяет получить простейшие конфигурации эпюр давления и даже перейти к относительным давле­ниям. Если, за единицу давления (см. рис. XVI.3, а) принять HApg, то относительные избыточные давления можно определить в долях этой единицы:

Давление ветра

Давление внутри помещения

- = Рв Ро HApg'

Введение относительных давлений позволяет обобщить и значи­тельно упростить определение теплопотерь от инфильтрации воздуха и определение расходов воздуха через высокие проемы. По относи­тельному давлению ветра можно судить о доле влияния ветра на воз­душный режим здания и выбирать тот или иной вариант способа рас­чета воздушного режима здания.

Построение эпюр давления воздуха на ограждающие конструкции промышленных зданий. Основное преимущество рассмотренного спо­соба построения эпюр давления на ограждения здания заключается в том, что он позволяет построить эпюры до проведения расчета воз­душного режима здания. Стандартность конфигурации эпюр с навет­ренной и заветренной стороны здания значительно упрощает опреде­ление давлений, вызывающих естественный воздухообмен в здании.

На рис. XVI.4, а представлена схема поперечного разреза промыш­ленного здания. t Температура воздуха в помещении постоянна по вы-

Рис. XVI.4. Расчетные эпюры дав­ления для однопролетных цехов с произвольным количеством отвер­стий

А —цех одной высоты; б —■ разновы - сотный цех; 1—7 — номера отверстий

Соте. На рисунке показаны эпюры давления на уровнях окон 1 я 5, открытых проемов 2, 4 и 6 и верха шахты 3.

При наличии вытяжных шахт, снабженных зонтами или дефлек­торами, избыточное давление на уровне среза шахты

Рнун

Рш — йщ Apg + (^аэр. ш — £аэр мин) » (XVI.11)

Где hm — величина или отрицательная (вверх от точки нуля), или равная нулю (см. рис. XVI.4, а), в зависимости от выбора уровня условного нуля давлений; &аЭр ш—. аэродинамический коэффициент зонта или дефлектора шахты.

Обычно нуль отсчета избыточных давлений целесообразно распо­лагать на уровне среза шахты, принимая /?ш=0.

Весьма затруднителен подбор площади вытяжных шахт с естест­венным побуждением движения воздуха в разновысотном здании или помещении (рис. XVI.4,б). Предлагаемая методика позволяет опреде­лить располагаемую разность давлений для шахт 3 и 4 по величине ро, получаемой из уравнения баланса воздуха в помещении.

Наиболее четко проявляются преимущества рассматриваемого способа определения давлений при обычно весьма сложном расчете аэрации многопролетных и многоэтажных цехов.

На рис. XVI.5, а показаны эпюры давления для трехпролетного здания с сообщающимися помещениями при одинаковых температур­ных условиях в них. Избыточные давления снаружи здания аналогич­ны случаю, показанному на рис. XVI.3, а. Если в помещениях темпера­турные условия различны, в здании может возникать циркуляция воздуха, обусловливаемая изменением избыточного аэростатического давления по высоте помещений с более низкими температурами. Избы­точное давление, постоянное по высоте, в этом случае будет лишь в по­мещении с наиболее высокой температурой воздуха (см. рис. XVI.5, б, в). В двух других помещениях эпюры давления имеют вид трапеций. Гравитационная составляющая избыточного давления снаружи опре­деляется йо максимальному температурному перепаду ^вмакс—

Для многоэтажных промышленных зданий с сообщающимися че­рез проемы этажами эпюры давления представлены на рис. XVI.6. За условный нуль давлений принято давление в верхней части здания на
заветренной стороне. Угол наклона линии, образующей эпюру давле­ния снаружи здания, определяется перепадом температур с двух сто­рон ограждения. Принцип построения эпюр давления полностью ана­логичен рассмотренному выше для зданий простой конфигурации.

Значения внутренних избыточных давлений в многопролетном здании роь Ро2 ••• и в многоэтажном здании pQі, р0ц ... являются иско­мыми. Они определяются при решении системы уравнений балансов воздуха во всех помещениях здания.

Tf =t2=riJ > in

1 "2

OS

Tj } fig ^ tj t/f Рої Pot Po.

3 hi

НІРн-Рі)9

Рис. XVI.6. Расчетные эпюры дав­ления для многоэтажного здания с сообщающимися этажами

/, II, III — номера этажей; 1—10— номера отверстий в наружных ограж­дениях