Промышленная вентиляция

Вентиляция предназначена для того, чтобы наружный воздух мог поступать в помещения, проветривать их и удалять загрязненный воздух. Другими словами, обменивать воздух самым эффективным образом. Эффективная система вентиляции должна отвечать целому ряду противоречивых требований. К тому же при естественной вентиляции (которая остается основной системой вентиляции во всем мире) необходимо уметь управлять природно-физическими параметрами: ветром, перепадом давления, температурой воздуха.

Продолжая цикл статей по вентиляции помещений различного назначения, данная статья посвящена организации системы вентиляции.
От эффективности работы вентиляции зависит качество воздуха, которым мы дышим. Недооценка влияния воздухообмена на состояние воздушной среды  приводит к существенному ухудшению самочувствия проживающих в них людей.
По оценке Всемирной Организации Здравоохранения (ВОЗ), третья часть вновь строящихся или реконструируемых зданий может содержать загрязненный воздух. По результатам исследования более тысячи случаев неудовлетворительного качества воздуха в помещениях был составлен следующий список причин:
— в 50 % случаев — неэффективность самой системы (недостаток поступления наружного воздуха, неэффективное распределение воздуха, несоответствие показателей температуры и влажности значениям, установленным для комфортного самочувствия, наличие загрязняющих источников непосредственно в самой системе);
— в 30 % случаев — наличие в воздухе специфических загрязняющих веществ (к примеру, формальдегидов, паров растворителей, пыли и микробиологических составов);
— в 10 % — внешние источники загрязнения (например, выхлопные газы автотранспорта, пыльца растений, грибок, дым, пыль дорожных и строительных работ);
— в оставшихся 10 % случаев причина не была выявлена.
Проблемы неудовлетворительного качества воздуха становятся причиной различного рода заболеваний. Агентство охраны окружающей среды классифицировало неудовлетворительное качество воздуха как один из пяти основных факторов риска для здоровья людей.
Существуют факторы, оказывающие непосредственное влияние на работу вентиляции: давление воздуха, гравитационный напор, негерметичность зданий. Предусмотреть их весьма непросто.
Большинство загрязняющих веществ проникают внутрь здания непосредственно вместе с воздухом. Воздух перемещается, как правило, от участков с высоким давлением на участки с низким давлением. Негерметичность перекрытий, открытые проемы вместе с работающими вентиляторами, вытяжными коробами и прочее, могут стать причиной произвольного поступления в здание определенных объемов наружного воздуха.
До оборудования наших зданий окнами, изготовленными по европейской технологии, проблема заключалась в избыточности воздухообмена в помещениях квартиры из-за большой воздухопроницаемости оконных проемов, что приводило к перерасходу тепла на отопление. У нас применялась естественная система вытяжной вентиляции под действием гравитационного напора, создаваемого разницей объемных весов наружного воздуха и внутреннего, более легкого. Наружный воздух поступал через неплотности оконных проемов и открытые форточки жилых комнат и удалялся через вытяжные решетки, установленные в кухнях, ванных комнатах и туалетах. Согласно требованиям СниП воздухообмен квартиры должен быть не меньше одной из двух величин:
— суммарной нормы вытяжки из туалетов, ванных комнат и кухни, которая в зависимости от типа кухонной плиты составляет 110 — 140 мЗ / ч;
— нормы притока, равного 3 мЗ / ч на каждый м2 жилой площади.

Организация вытяжной вентиляции
 выполняется естественная вытяжная вентиляция.
В начале массового жилищного строительства применялась вентиляция с индивидуальными каналами от каждой решетки, которые соединялись с вытяжной шахтой непосредственно или через сборный канал на чердаке. В зданиях до четырех этажей эта схема применяется до сих пор. В высотных зданиях для экономии места через каждые 4 - 5 этажей несколько вертикальных каналов объединялись в один горизонтальный, от которого далее воздух направлялся к шахте по одному вертикальному каналу.
В настоящее время принципиальным решением систем естественной вытяжной вентиляции многоэтажных зданий является схема, включающая в себя вертикальный сборный канал — «ствол» — с боковыми ответвлениями — «спутниками». Воздух поступает в боковое ответвление через вытяжное отверстие, расположенное в кухне, ванной комнате или туалете, и, как правило, в межэтажном перекрытии над следующим этажом перепускается в магистральный сборный канал. Такая схема значительно компактнее системы с индивидуальными каналами, может быть аэродинамически устойчивой и отвечает требованиям противопожарной безопасности. Каждая вертикаль квартир может иметь два «ствола»: по одному осуществляется транзит воздуха из кухонь, по другому — из туалетов и ванных комнат. Допускается использование одного «ствола» для вентиляции кухонь и сантехкабин при условии, что место присоединения боковых ответвлений к сборному каналу в одном уровне должно быть выше уровня обслуживаемого помещения не менее чем на 2 м. Один — два последних этажа часто имеют индивидуальные каналы, не связанные общим магистральным «стволом».
В типовых зданиях основным элементом системы естественной вентиляции является поэтажный вентблок. В зданиях, строящихся по индивидуальным проектам, вытяжные воздуховоды чаще всего выполняются из металла. Междуэтажный стык вентблоков является одним из самых ненадежных мест системы вытяжной вентиляции. Для его герметизации до сих пор применяется цементный раствор, который выдавливается и частично перекрывает сечение вентиляционных каналов, не обеспечивая надлежащей герметичности стыка. Это приводит не только к нежелательному перераспределению воздушных потоков, но и к перетеканию воздуха через вентиляционную сеть из одних квартир в другие. Для сокращения теплопотерь через потолки верхнего этажа и для повышения температуры на его внутренней поверхности большинство многоэтажных зданий имеют «теплые» чердаки высотой около 1,9 м. В них поступает воздух из нескольких сборных каналов. Удаление воздуха из чердачного помещения осуществляется через одну на каждую секцию дома вытяжную трубу, устье которой в соответствии со СниП должно располагаться на 4,5 м выше перекрытия над последним этажом. При этом вытяжной воздух на чердаке не должен остывать, в противном случае увеличивается его плотность, что приводит к снижению тяги или опрокидыванию циркуляции. Такой способ вентиляции используется в зданиях от 10 до 25 этажей.
Расчетным для естественной вентиляции является режим открытых форточек при температуре наружного воздуха +5°С и безветренной погоде. При понижении температуры наружного воздуха тяга увеличивается, и считается, что проветривание квартир только улучшается. Рассчитывается система изолированно от здания. В то же время расход удаляемого системой воздуха является всего лишь одной составляющей воздушного баланса квартиры, в котором кроме него значимую роль играет расход воздуха, поступающего или удаляемого через окна и входную дверь, а также тепловой режим, т.к. вместе с воздухом удаляется и тепло. Чем интенсивней работает вытяжная вентиляция при снижении температуры, тем большее количество тепла удаляется из квартиры. В худших условиях при этом находится нижний этаж зданий.

Влияние погодных условий
При разных погодных условиях и направлениях ветра, открытых или закрытых форточках составляющие воздушного баланса значительно перераспределяются.
При понижении температуры наружного воздуха увеличивается доля гравитационной составляющей в разности давления снаружи и внутри жилого здания, что приводит к увеличению расходов инфильтрации через окна на всех этажах здания. Более существенно это увеличение сказывается на нижних этажах здания.
Увеличение скорости ветра при неизменной температуре наружного воздуха вызывает увеличение давления только на наветренном фасаде здания. Скорость и направление ветра оказывают более сильное воздействие на распределение воздушных потоков в системе вентиляции и на расходы инфильтрации, чем температура наружного воздуха. Изменение температуры наружного воздуха от -15°С до -30°С приводит к такому увеличению воздухообмена в квартире, как и увеличение скорости ветра от 3 до 3,6 м/с. Возрастание скорости ветра не сказывается на расходе воздуха, удаляемого из квартиры заветренного фасада. Однако при плохих входных дверях приток в квартиры уменьшается через окна и увеличивается через двери. Влияние гравитационного давления, ветра, планировки, сопротивления воздухопроницаемости внутренних и наружных ограждающих конструкций для зданий повышенной этажности выражено более резко, чем в зданиях малой и средней этажности.

Роль планировки, герметичности входных дверей и окон
Кроме конструктивных решений самой системы и погодных условий (температуры и ветра), на работу естественной вентиляции оказывают влияние высота здания, планировка квартиры, ее связь с ле-стнично-лифтовым узлом, размеры и воздухопроницаемость окон и входных дверей. Поэтому нормы плотности и размеров этих ограждений имеют отношение к вентиляции, как и рекомендации по планировке квартир (воздушная среда в квартире будет лучше, если квартира обеспечена сквозным или угловым проветриванием).
Формирование воздушных потоков в многоэтажном здании с естественной вытяжной вентиляцией происходит в зависимости от многих факторов. При неблагоприятном стечении обстоятельств (открытые форточки, теплая погода) происходит перетекание воздуха через лестничную клетку в лифтовую шахту. Они в такой ситуации служат одним общим для всех квартир воздушным каналом. Неприятные запахи и загрязненный воздух поступают в квартиры с отрытыми форточками, и вместо проветривания качество воздуха в квартире, наоборот, ухудшается. Поэтому особое значение приобретает герметичность входных квартирных дверей. В зависимости от степени уплотнения притворов дверей значения их аэродинамической характеристики сопротивления отличаются почти в шесть раз. К входным дверям в квартиры СниПом «Строительная теплотехника» предъявляются требования высокой герметичности, обеспечивающей воздухопроницаемость не более 1,5 кг / г*м2, что практически должно отсечь квартиру от лестнично-лифтовой шахты. В реальных условиях добиться требуемой плотности квартирных дверей удается далеко не всегда.
Неплотность квартирных дверей порождает проблему перетекания отработанного воздуха из квартир нижних этажей по лестничной клетке в квартиры верхних этажей, в результате чего даже при хорошо работающей вентиляции приток свежего воздуха значительно сокращается. В зданиях с односторонним расположением квартир эта проблема усугубляется.
Одним из способов борьбы с перетеканием воздуха через лестничную клетку и лифтовую шахту является устройство поэтажных коридоров или холлов, имеющих дверь, отделяющую лестнично-лифтовой узел от квартир. Однако и такое решение при неплотных квартирных дверях усиливает горизонтальное перетекание воздуха из квартир, выходящих на наветренный фасад в квартиры с заветренной ориентацией.
При естественной вытяжной вентиляции окна играют роль приточных устройств. С одной стороны, малая воздухопроницаемость окон приводит к нежелательному сокращению воздухообмена, а с другой, — к экономии теплоты на подогрев инфильтрационного воздуха. При недостаточной инфильтрации вентиляция осуществляется через открытые форточки. Невозможность отрегулировать положение створок форточек вынуждает жильцов использовать их только для кратковременного проветривания помещений даже при ощутимой духоте в квартире.
Воздухопроницаемость окон жилых зданий по СниП «Строительная теплотехника» не должна превышать 5 кг / г*м2 для пластиковых и алюминиевых окон и 6 кг / г*м2 — для деревянных.
Современные нормы воздухопроницаемости окон заставляют задуматься о специальных мероприятиях по обеспечению притока наружного воздуха. Поэтому для организации притока в квартиры используются различные устройства: 1) специальные аэроматы в окнах, имеющие довольно большое аэродинамическое сопротивление и не пропускающие шум с улицы; 2) приточные клапаны в наружных стенах, или проектируется механическая приточная вентиляция. Воздухопроницаемость новых окон в закрытом состоянии даже в условиях расчетной наружной температуры не обеспечивает нормативного воздухообмена в квартирах под действием естественного гравитационного напора. Последствием этого может стать, помимо неполного удаления запахов из квартиры, увеличение влажности воздуха в помещениях и, как следствие, образование плесени.Уровень влажности в помещениях определяется содержанием водяного пара, появляющегося в воздухе в результате жизнедеятельности (дыхание, душ, стирка и сушка белья, приготовление пищи...). Например, в час каждый из нас производит
— дыханием — 50 г воды и 19 л углекислого газа;
— горячий душ — 2000 г воды;
— горячая ванна — 300 г воды;
— тарелка с горячей пищей — 60 г; потение — от 100 г до 400 г в зависимости от тяжести выполняемого труда.
В среднем в одной квартире производится около 3 кг водяного пара в день.
К недостаткам естественной вентиляции следует отнести и то, что она плохо согласуется с естественными требованиями энергосбережения. При установке терморегуляторов на отопительных приборах появляется реальная возможность экономии тепла в системе отопления. При этом от 70 до 75 % установленной тепловой мощности системы составляет потребность в теплоте на нагревание вентиляционного воздуха. Экономии в затратах на тепло можно было бы добиться, если бы вентиляция могла работать с переменным расходом. Организация такого регулирования при естественной вентиляции практически невозможна. Кроме того, механическая вентиляция позволяет экономить энергозатраты за счет нагрева приточного воздуха вытяжным. Однако для этого механической должна быть система не только приточной, но и вытяжной вентиляции. В скандинавских странах применение таких систем в жилых зданиях является обязательным. Однако французские и немецкие специалисты, работающие в области отопления и вентиляции, отрицательно относятся к применению в жилищном строительстве механической приточной вентиляции из-за дороговизны этого решения. Приводятся данные о том, что стоимость приточно-вытяжной механической вентиляции составляет 100 — 140 DM / м2 общей площади квартир, а механической вытяжной — 40 — 60 DM / м2.
Следует отметить, что в Германии настолько верны отрицанию необходимости принудительной приточной вентиляции в жилых зданиях, что при реконструкции существующих 20-этажных домов в Восточном Берлине, где уже была действующая приточно-вытяжная вентиляция с утилизацией тепла вытяжного воздуха для нагрева приточного, восстанавливается только вытяжная вентиляция с механическим побуждением.
В европейских странах, как правило, применяется механическая вытяжная вентиляция с единым на секцию постоянно работающим центробежным вентилятором, и неорганизованный, под естественным давлением, приток воздуха идет через специальные отверстия в оконной коробке или стене, оборудованные закрывающимися клапанами. В Германии применяются окна, обеспечивающие в нижнем положении запорных ручек плотное закрытие створок окна, а в верхнем — фиксированное раскрытие щели между коробкой и створкой окна.
Некоторые фирмы производят окна со щелями в каждой части коробки со стороны улицы для пропуска наружного воздуха и в верхней со стороны комнаты для впуска воздуха, и специальными устройствами в боковых частях рамы для возможности регулирования количества протекающего воздуха. Применяются решения с клапаном на стене под окном диаметром около 100 мм с возможностью его закрытия при необходимости.

Механическая вытяжная система вентиляции
Переход на системы вытяжной вентиляции с механическим побуждением ставит ряд повышенных требований как к герметичности по-этажных стыков блоков сборных вертикальных каналов, так и к герметичности ограждений квартиры (особенно межэтажных перекрытий и входных дверей) и чердака, если сохраняется решение с «теплым» чердаком. Герметизация вентиляционных каналов за рубежом делается через муфтовые соединения на клею.
В Германии, как правило, применяют централизованную систему вытяжной вентиляции с возможностью кратковременного увеличения объема вытяжки из заданного помещения и автоматическим регулированием частоты вращения вентилятора. Приемные клапаны вытяжной вентиляции из кухни и ванной комнаты (в Германии даже 4-комнатные квартиры проектируют с одним туалетом на квартиру, совмещенным с ванной комнатой) делают с глушением шума, повышенного сопротивления и с небольшими отверстиями по периметру, рассчитываемыми на пропуск необходимого минимального расхода воздуха из данного помещения при закрытой центральной створке клапана. Створка вытяжного клапана открывается одновременно с зажиганием света в ванной комнате, и из этого помещения воздух удаляется в повышенном объеме. При выключении света створка закрывается, и через клапан удаляется минимальное количество воздуха. В кухне при необходимости створка клапана открывается специальным выключателем. При одновременном открывании створок клапанов в нескольких помещениях во избежание падения напора вентилятора и возникновения из-за этого гидравлической разрегулировки вытяжной системы по сигналу датчика разрежения, расположенного в нижней точке системы, автоматически увеличивается число оборотов двигателя вентилятора, и напор вентилятора восстанавливается при увеличенной вытяжке воздуха.
Во Франции считается, что система с автоматическим регулированием частоты вращения вентилятора достаточно дорогая, и применяется централизованная система механической вытяжной вентиляции без авторегулировки частоты вращения. Но в приемном клапане вытяжной вентиляции предусматривается резиновая полость, которая в зависимости от истинного перепада давления раздувается таким образом, что обеспечивает постоянство расхода воздуха через клапан при перепаде давления в нем с 50 до 150 Па.

Механические приточные системы вентиляции
Оборудование жилых зданий приточными системами вентиляции происходит значительно реже, чем механическими вытяжными, так как это существенно повышает стоимость проекта. Преимуществом механических приточных систем является гарантированная подача расчетного расхода приточного воздуха в каждую квартиру, возможность фильтрации приточного воздуха и снижения аллергических заболеваний, возможность распределения воздуха, исключающего сквозняки независимо от погодных условий на улице, возможность энергосбережения за счет утилизации теплоты удаляемого воздуха.
Обычно устанавливается не менее двух приточных систем на здание. При возможности воздухозабора из зеленой зоны приточная камера размещается в подвале, при невозможности забора чистого воздуха в нижней части здания она устанавливается на верхнем техническом этаже. Зимой приточный воздух подается подогретым до температуры 20 °С, летом — с наружной температурой. Кроме того, в приточной камере воздух фильтруется в сухих фильтрах EU-5 - EU-6.
Применение приточно-вытяжной системы делает возможной утилизацию теплоты, например с использованием пластинчатого рекуперативного теплообмена. Однако применение его в условиях Украины в самые пики морозов требует предварительного подогрева приточного воздуха во избежание замерзания конденсата в тракте вытяжного воздуха. Подробнее о системах воздушного отопления читайте в статье "Жизнь. Климат. Энергия" (Ватерпас №30-31, 2000).

Заключение
Пока сохраняется панельное домостроение, возможно сохранить и систему естественной вытяжной вентиляции для зданий свыше 9-ти этажей с теплым чердаком при наличии приточных устройств в окнах или в стене, добавив к описанному решению установку для двух последних этажей канальных вентиляторов на вытяжке из помещений кухни и санузлов. Механическую же вентиляцию в панельных жилых зданиях целесообразно применять при этажности не более 6-ти, а также там, где не эффективен «теплый» чердак или вместо него сооружается мансарда. Вероятно применение механической вентиляции будет оптимально при модернизации построенных 9-этажных панельных зданий. Необходимо только добиться плотности соединений вертикальных каналов в строительном исполнении и повысить герметичность межэтажных перекрытий и входных дверей в квартиры.