Пассивная вентиляция — это процесс подачи и удаления воздуха из внутреннего пространства без использования механических систем . Это относится к потоку наружного воздуха во внутреннее пространство в результате разницы давления, возникающей под действием естественных сил.
Существует два типа естественной вентиляции, происходящей в зданиях: вентиляция, приводимая в движение ветром , и вентиляция, приводимая в движение выталкивающей силой . Вентиляция, приводимая в движение ветром, возникает из-за разного давления, создаваемого ветром вокруг здания или сооружения, и отверстий, образующихся по периметру, которые затем позволяют потоку проходить через здание. Вентиляция, приводимая в движение выталкивающей силой, возникает в результате направленной силы выталкивания, которая возникает из-за разницы температур между внутренней и внешней средой. [1]
Поскольку внутренние теплопотери, создающие разницу температур между внутренним пространством и внешним миром, возникают в результате естественных процессов, включая тепло, выделяемое людьми, а воздействие ветра является переменным, здания с естественной вентиляцией иногда называют «дышащими зданиями».
Статическое давление воздуха — это давление в свободном потоке воздуха, которое отображается изобарами на картах погоды . Различия в статическом давлении возникают из-за глобальных и микроклиматических термических явлений и создают поток воздуха, который мы называем ветром . Динамическое давление — это давление, оказываемое, когда ветер соприкасается с объектом, например, холмом или зданием, и оно описывается следующим уравнением: [2]
где (в единицах СИ ):
Воздействие ветра на здание влияет на вентиляцию и скорость инфильтрации через него и связанные с этим потери или прирост тепла. Скорость ветра увеличивается с высотой и уменьшается по направлению к земле из-за сопротивления трения. На практике давление ветра будет значительно меняться, создавая сложные воздушные потоки и турбулентность путем взаимодействия с элементами естественной среды (деревья, холмы) и городского контекста (здания, сооружения). Народные и традиционные здания в различных климатических регионах в значительной степени зависят от естественной вентиляции для поддержания условий теплового комфорта в закрытых помещениях. [3]
Руководящие принципы проектирования изложены в строительных нормах и другой соответствующей литературе и включают в себя ряд рекомендаций по многим конкретным областям, таким как:
Следующие рекомендации по проектированию выбраны из Руководства по проектированию всего здания , программы Национального института строительных наук : [4]
Ветровая вентиляция может быть классифицирована как перекрестная вентиляция и односторонняя вентиляция. Ветровая вентиляция зависит от поведения ветра, от взаимодействия с ограждающими конструкциями здания и от отверстий или других воздухообменных устройств, таких как входные отверстия или ветроуловители .
Знание городской климатологии, то есть ветра вокруг зданий, имеет решающее значение при оценке качества воздуха и теплового комфорта внутри зданий, поскольку воздухообмен и теплообмен зависят от давления ветра на фасады. Как видно из уравнения (1), воздухообмен линейно зависит от скорости ветра в городском месте, где будет построен архитектурный проект. Инструменты CFD ( Computational Fluid Dynamics ) и зональное моделирование обычно используются для проектирования естественно вентилируемых зданий. Ветроуловители способны способствовать ветровой вентиляции, направляя воздух внутрь и наружу зданий.
Вентиляция, приводимая в действие плавучестью, возникает из-за разницы в плотности внутреннего и наружного воздуха, которая в значительной степени возникает из-за разницы в температуре. Когда есть разница температур между двумя соседними объемами воздуха, более теплый воздух будет иметь меньшую плотность и будет более плавучим, поэтому он поднимется над холодным воздухом, создавая восходящий поток воздуха. Принудительная вентиляция, приводимая в действие плавучестью, в здании происходит в традиционном камине. Пассивные дымовые вентиляторы распространены в большинстве ванных комнат и других типов помещений без прямого выхода на улицу.
Для того чтобы здание проветривалось адекватно с помощью вентиляции, управляемой плавучестью, внутренняя и внешняя температуры должны быть разными. Когда внутри теплее, чем снаружи, внутренний воздух поднимается и покидает здание через более высокие отверстия. Если есть нижние отверстия, то более холодный, более плотный воздух снаружи поступает в здание через них, тем самым создавая вытесняющую вентиляцию восходящим потоком. Однако, если нижних отверстий нет, то и приток, и отток будут происходить через отверстие на высоком уровне. Это называется смешивающей вентиляцией. Эта последняя стратегия все еще приводит к тому, что свежий воздух достигает нижнего уровня, поскольку, хотя поступающий холодный воздух будет смешиваться с внутренним воздухом, он всегда будет плотнее основного внутреннего воздуха и, следовательно, падать на пол. Вентиляция, управляемая плавучестью, увеличивается с большей разницей температур и увеличением высоты между верхними и нижними отверстиями в случае вытесняющей вентиляции. Когда присутствуют как верхние, так и нижние отверстия, нейтральная плоскость в здании находится в месте между верхними и нижними отверстиями, в котором внутреннее давление будет таким же, как и внешнее давление (при отсутствии ветра). Выше нейтральной плоскости внутреннее давление воздуха будет положительным, и воздух будет вытекать из любых созданных отверстий промежуточного уровня. Ниже нейтральной плоскости внутреннее давление воздуха будет отрицательным, и внешний воздух будет втягиваться в пространство через любые отверстия промежуточного уровня. Вентиляция, управляемая плавучестью, имеет несколько существенных преимуществ: {См. Linden, P Annu Rev Fluid Mech, 1999}
Ограничения вентиляции с использованием выталкивающей силы:
Естественная вентиляция в зданиях может в основном полагаться на разницу давления ветра в ветреных условиях, но эффекты плавучести могут а) усиливать этот тип вентиляции и б) обеспечивать скорость воздушного потока в тихие дни. Вентиляция, управляемая плавучестью, может быть реализована таким образом, что приток воздуха в здание не будет зависеть исключительно от направления ветра. В этом отношении она может обеспечить улучшенное качество воздуха в некоторых типах загрязненных сред, таких как города. Например, воздух может втягиваться через заднюю часть или дворы зданий, избегая прямого загрязнения и шума уличного фасада. Ветер может усиливать эффект плавучести, но может также уменьшать его эффект в зависимости от его скорости, направления и конструкции воздухозаборников и воздуховыпускных отверстий. Поэтому при проектировании вентиляции с эффектом тяги необходимо учитывать преобладающие ветры.
Скорость потока естественной вентиляции, создаваемой за счет подъемной силы, с отверстиями на двух разных высотах можно оценить с помощью следующего уравнения: [5]
Одним из способов измерения производительности естественно вентилируемого помещения является измерение воздухообмена в час во внутреннем помещении. Для того чтобы вентиляция была эффективной, должен быть обмен между наружным воздухом и комнатным воздухом. Распространенным методом измерения эффективности вентиляции является использование индикаторного газа . [6] Первым шагом является закрытие всех окон, дверей и отверстий в помещении. Затем в воздух добавляется индикаторный газ. Справочный документ, Стандарт Американского общества по испытаниям и материалам (ASTM) E741: Стандартный метод испытаний для определения воздухообмена в одной зоне с помощью разбавления индикаторного газа, описывает, какие индикаторные газы можно использовать для такого рода испытаний, и предоставляет информацию о химических свойствах, воздействии на здоровье и простоте обнаружения. [7] После добавления индикаторного газа можно использовать смешивающие вентиляторы для максимально равномерного распределения индикаторного газа по всему пространству. Для проведения испытания на распад сначала измеряется концентрация индикаторного газа, когда концентрация индикаторного газа постоянна. Затем открываются окна и двери, и концентрация трассирующего газа в пространстве измеряется через регулярные промежутки времени, чтобы определить скорость распада трассирующего газа. Воздушный поток можно вывести, посмотрев на изменение концентрации трассирующего газа с течением времени. Для получения более подробной информации об этом методе испытаний см. стандарт ASTM E741. [7]
Хотя естественная вентиляция исключает потребление электроэнергии вентиляторами, общее потребление энергии системами естественной вентиляции часто выше, чем у современных систем механической вентиляции с рекуперацией тепла . Типичные современные системы механической вентиляции используют всего лишь 2000 Дж/м3 для работы вентилятора, а в холодную погоду они могут рекуперировать гораздо больше энергии в виде тепла, передаваемого от отработанного отработанного воздуха свежему приточному воздуху с помощью рекуператоров .
Потери тепла через вентиляцию можно рассчитать следующим образом:
Где:
Таким образом , разницу температур между внутренним и наружным воздухом, необходимую для того, чтобы механическая вентиляция с рекуперацией тепла превзошла естественную вентиляцию с точки зрения общей энергоэффективности , можно рассчитать следующим образом:
Где:
SFP — удельная мощность вентилятора в Па, Дж/м 3 или Вт/(м 3 /с)
При типичных условиях комфортной вентиляции с эффективностью рекуперации тепла 80% и SFP 2000 Дж/м 3 получаем:
В климате, где средняя абсолютная разница между внутренней и наружной температурой превышает ~10K, аргумент энергосбережения в пользу выбора естественной вентиляции вместо механической может быть поставлен под сомнение. Однако следует отметить, что отопительная энергия может быть дешевле и более экологичной, чем электричество. Это особенно актуально в районах, где доступно централизованное отопление .
Для разработки систем естественной вентиляции с рекуперацией тепла необходимо сначала решить две неотъемлемые проблемы:
Исследования, направленные на разработку систем естественной вентиляции с рекуперацией тепла, были проведены еще в 1993 году, когда Шульц и др. [8] предложили и испытали конструкцию типа дымохода, основанную на эффекте тяги, при рекуперации тепла с использованием большого противоточного рекуператора, изготовленного из гофрированного оцинкованного железа. И подача, и вытяжка осуществлялись через некондиционируемое чердачное пространство, при этом отработанный воздух вытягивался на высоте потолка, а воздух подавался на уровне пола через вертикальный воздуховод.
Было обнаружено, что устройство обеспечивает достаточный поток воздуха для вентиляции для односемейного дома и рекуперацию тепла с эффективностью около 40%. Однако устройство оказалось слишком большим и тяжелым, чтобы быть практичным, а эффективность рекуперации тепла была слишком низкой, чтобы конкурировать с механическими системами того времени. [8]
Более поздние попытки были в основном сосредоточены на ветре как на основной движущей силе из-за его более высокого потенциала давления. Однако это создает проблему больших колебаний движущего давления.
При использовании ветровых башен, размещенных на крыше вентилируемых помещений, приток и вытяжка могут быть размещены близко друг к другу на противоположных сторонах небольших башен. [9] Эти системы часто имеют оребренные тепловые трубы , хотя это ограничивает теоретическую максимальную эффективность рекуперации тепла. [10]
Жидкостно-связанные циклы также были испытаны для достижения непрямой тепловой связи между выхлопным и приточным воздухом. Хотя эти испытания были в некоторой степени успешными, жидкостное соединение представляет механические насосы, которые потребляют энергию для циркуляции рабочей жидкости. [11] [12]
Хотя некоторые коммерчески доступные решения доступны уже много лет, [13] [14] заявленные производителями характеристики еще не подтверждены независимыми научными исследованиями. Это может объяснить явное отсутствие влияния на рынок этих коммерчески доступных продуктов, которые, как утверждается, обеспечивают естественную вентиляцию и высокую эффективность рекуперации тепла.
В настоящее время в Университете Орхуса разрабатывается принципиально новый подход к естественной вентиляции с рекуперацией тепла, в рамках которого теплообменные трубы интегрируются в структурные бетонные плиты между этажами здания. [15]
Для стандартов, касающихся скорости вентиляции, в Соединенных Штатах обратитесь к стандарту ASHRAE 62.1-2010: Вентиляция для приемлемого качества воздуха в помещении . [16] Эти требования распространяются на «все помещения, предназначенные для пребывания людей, за исключением помещений в односемейных домах, многосемейных строениях с тремя или менее этажами над уровнем земли, транспортных средств и самолетов». [16] В пересмотренном стандарте 2010 года раздел 6.4 был изменен, чтобы указать, что большинство зданий, спроектированных для систем естественного кондиционирования помещений, должны также «включать механическую систему вентиляции, разработанную для соответствия процедурам скорости вентиляции или IAQ [в ASHRAE 62.1-2010]. Механическая система должна использоваться, когда окна закрыты из-за экстремальных наружных температур, шума и проблем безопасности». [16] В стандарте указано, что два исключения, при которых здания с естественным кондиционированием не требуют механических систем, это когда:
Кроме того, уполномоченный орган может разрешить проектирование системы кондиционирования, которая не имеет механической системы, а полагается только на естественные системы. [16] В отношении того, как должны проектироваться элементы управления системами кондиционирования, стандарт гласит, что они должны принимать во внимание меры для «надлежащей координации работы систем естественной и механической вентиляции». [16]
Другой ссылкой является стандарт ASHRAE 62.2-2010: Вентиляция и приемлемое качество воздуха в помещениях малоэтажных жилых зданий. [17] Эти требования предназначены для «односемейных домов и многосемейных строений высотой не более трех этажей над уровнем земли, включая сборные и модульные дома», но не применимы «к временному жилью, такому как гостиницы, мотели, дома престарелых, общежития или тюрьмы». [17]
Для стандартов, касающихся скорости вентиляции, в Соединенных Штатах обратитесь к стандарту ASHRAE 55-2010: Тепловые условия окружающей среды для пребывания людей. [18] На протяжении всех его пересмотров его область применения соответствовала его нынешней сформулированной цели: «определить комбинации внутренних тепловых факторов окружающей среды и личных факторов, которые создадут тепловые условия окружающей среды, приемлемые для большинства обитателей пространства». [18] Стандарт был пересмотрен в 2004 году после того, как результаты полевых исследований в рамках исследовательского проекта ASHRAE RP-884: разработка адаптивной модели теплового комфорта и предпочтений показали, что существуют различия между естественно и механически кондиционируемыми помещениями в отношении тепловой реакции обитателей, смены одежды, доступности контроля и изменений в ожиданиях обитателей. [19] Дополнение к стандарту 5.3: Дополнительный метод определения приемлемых тепловых условий в естественно вентилируемых помещениях использует подход адаптивного теплового комфорта для естественно кондиционируемых зданий путем указания приемлемых рабочих диапазонов температур для естественно кондиционируемых помещений. [18] В результате проектирование систем естественной вентиляции стало более осуществимым, что было признано ASHRAE как способ дальнейшего устойчивого, энергоэффективного и удобного для жильцов проектирования. [18]
![{\displaystyle \Дельта T=2000/(1000*1,2*(1-0,8))=8,33[K]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/ddce43385b0a9b0ac3871ef33881effc58f987ab)
{{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь ){{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь ){{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь ){{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
Научно-исследовательские центры на базе университетов, которые в настоящее время проводят исследования естественной вентиляции:
Рекомендации по естественной вентиляции: