Пассивная вентиляция — это процесс подачи и удаления воздуха из помещения без использования механических систем . Это относится к потоку наружного воздуха во внутреннее пространство в результате разницы давлений , возникающей под действием природных сил.
В зданиях существует два типа естественной вентиляции : ветровая вентиляция и поплавковая вентиляция . Вентиляция с приводом от ветра возникает из-за различного давления, создаваемого ветром вокруг здания или сооружения, и отверстий, образующихся по периметру, которые затем пропускают поток через здание. Вентиляция, основанная на плавучести, возникает в результате направленной плавучей силы, возникающей в результате разницы температур внутри и снаружи. [1]
Поскольку внутренние приросты тепла, которые создают разницу температур внутри и снаружи, создаются естественными процессами, включая тепло от людей, а воздействие ветра непостоянно, здания с естественной вентиляцией иногда называют «дышащими зданиями».
Статическое давление воздуха — это давление в свободно текущем воздушном потоке, которое на картах погоды изображается изобарами . Различия в статическом давлении возникают в результате глобальных и микроклиматических тепловых явлений и создают поток воздуха, который мы называем ветром . Динамическое давление — это давление, оказываемое при контакте ветра с таким объектом, как холм или здание, и оно описывается следующим уравнением: [2]
где (в единицах СИ ):
Воздействие ветра на здание влияет на скорость вентиляции и инфильтрации через него, а также на связанные с этим потери тепла или притоки тепла. Скорость ветра увеличивается с высотой и снижается по направлению к земле из-за сопротивления трения. На практике давление ветра будет значительно различаться, создавая сложные воздушные потоки и турбулентность за счет его взаимодействия с элементами природной среды (деревья, холмы) и городского контекста (здания, сооружения). Народные и традиционные здания в различных климатических регионах в значительной степени полагаются на естественную вентиляцию для поддержания условий теплового комфорта в закрытых помещениях. [3]
Рекомендации по проектированию содержатся в строительных нормах и другой соответствующей литературе и включают в себя различные рекомендации по многим конкретным областям, таким как:
Следующие рекомендации по проектированию взяты из «Руководства по проектированию всего здания» , программы Национального института строительных наук : [4]
Ветровую вентиляцию можно разделить на поперечную и одностороннюю. Вентиляция с приводом от ветра зависит от поведения ветра, от взаимодействия с ограждающими конструкциями здания, а также от отверстий или других устройств воздухообмена, таких как воздухозаборники или ветроуловители .
Знание городской климатологии, т.е. ветра вокруг зданий, имеет решающее значение при оценке качества воздуха и теплового комфорта внутри зданий, поскольку воздух и теплообмен зависят от давления ветра на фасады. Как видно из уравнения (1), воздухообмен линейно зависит от скорости ветра в городской местности, где будет построен архитектурный объект. Инструменты CFD ( вычислительной гидродинамики ) и зональное моделирование обычно используются для проектирования зданий с естественной вентиляцией. Уловители ветра могут способствовать вентиляции с помощью ветра, направляя воздух внутрь и наружу зданий.
Вентиляция с использованием плавучести возникает из-за разницы в плотности внутреннего и наружного воздуха, которая в значительной степени возникает из-за разницы в температуре. Когда существует разница температур между двумя соседними объемами воздуха, более теплый воздух будет иметь меньшую плотность и большую плавучесть, поэтому будет подниматься над холодным воздухом, создавая восходящий поток воздуха. Принудительная восходящая поплавковая вентиляция в здании осуществляется с помощью традиционного камина. Пассивные вытяжные вентиляторы распространены в большинстве ванных комнат и других помещений без прямого выхода на улицу.
Чтобы здание могло адекватно вентилироваться с помощью поплавковой вентиляции, внутренняя и наружная температуры должны быть разными. Когда внутри теплее, чем снаружи, воздух внутри помещения поднимается и выходит из здания через более высокие проемы. Если имеются нижние проемы, то через них в здание поступает более холодный и плотный воздух снаружи, создавая тем самым вытесняющую вентиляцию с восходящим потоком. Однако если нижних отверстий нет, то как приток, так и отток будут происходить через отверстие верхнего уровня. Это называется смешанной вентиляцией. Эта последняя стратегия по-прежнему приводит к тому, что свежий воздух достигает нижнего уровня, поскольку, хотя входящий холодный воздух будет смешиваться с внутренним воздухом, он всегда будет более плотным, чем основной внутренний воздух, и, следовательно, будет падать на пол. Вентиляция, основанная на плавучести, усиливается с увеличением разницы температур и увеличением высоты между верхними и нижними отверстиями в случае вытесняющей вентиляции. При наличии проемов как высокого, так и низкого уровня нейтральная плоскость в здании возникает в месте между верхними и низкими проемами, в котором внутреннее давление будет таким же, как внешнее давление (при отсутствии ветра). Выше нейтральной плоскости внутреннее давление воздуха будет положительным, и воздух будет вытекать из любых созданных отверстий на промежуточном уровне. Ниже нейтральной плоскости внутреннее давление воздуха будет отрицательным, а внешний воздух будет втягиваться в пространство через любые отверстия на промежуточном уровне. Вентиляция, основанная на плавучести, имеет несколько существенных преимуществ: {См. Linden, P Annu Rev Fluid Mech, 1999}
Ограничения поплавковой вентиляции:
Естественная вентиляция в зданиях может зависеть в основном от разницы давления ветра в ветреную погоду, но эффекты плавучести могут: а) усилить этот тип вентиляции и б) обеспечить скорость потока воздуха в тихие дни. Вентиляцию с помощью плавучести можно реализовать таким образом, чтобы приток воздуха в здании не зависел исключительно от направления ветра. В этом отношении это может обеспечить улучшение качества воздуха в некоторых типах загрязненных сред, таких как города. Например, воздух можно забирать через заднюю часть или внутренние дворы зданий, избегая прямого загрязнения и шума уличного фасада. Ветер может усилить эффект плавучести, но также может уменьшить его в зависимости от его скорости, направления и конструкции воздухозаборников и выпусков. Поэтому при проектировании дымовой вентиляции необходимо учитывать преобладающие ветры.
Скорость естественного вентиляционного потока для естественной вентиляции с плавучестью и вентиляционными отверстиями на двух разных высотах можно оценить с помощью этого уравнения: [5]
Одним из способов измерения производительности помещения с естественной вентиляцией является измерение изменения воздуха в час во внутреннем помещении. Чтобы вентиляция была эффективной, необходим обмен наружного воздуха с воздухом помещения. Распространенным методом измерения эффективности вентиляции является использование индикаторного газа . [6] Первый шаг — закрыть все окна, двери и проемы в помещении. Затем в воздух добавляется индикаторный газ. В справочном документе « Стандарт E741 Американского общества по испытаниям и материалам (ASTM): Стандартный метод испытаний для определения изменения воздуха в одной зоне посредством разбавления индикаторного газа» описывается, какие индикаторные газы можно использовать для такого рода испытаний, и содержится информация о химические свойства, воздействие на здоровье и простота обнаружения. [7] После добавления индикаторного газа можно использовать смесительные вентиляторы для максимально равномерного распределения индикаторного газа по всему пространству. Для проведения теста на разложение сначала измеряют концентрацию индикаторного газа, когда концентрация индикаторного газа постоянна. Затем открываются окна и двери, и концентрация индикаторного газа в помещении измеряется через регулярные промежутки времени, чтобы определить скорость распада индикаторного газа. О потоке воздуха можно определить, наблюдая за изменением концентрации индикаторного газа с течением времени. Более подробную информацию об этом методе испытаний можно найти в стандарте ASTM E741. [7]
Хотя естественная вентиляция исключает потребление электроэнергии вентиляторами, общее энергопотребление систем естественной вентиляции часто выше, чем у современных систем механической вентиляции с рекуперацией тепла . Типичные современные системы механической вентиляции используют всего лишь 2000 Дж/м 3 для работы вентилятора, а в холодную погоду они могут рекуперировать гораздо больше энергии в виде тепла, передаваемого от отработанного вытяжного воздуха к свежему приточному воздуху с помощью рекуператоров .
Потери тепла от вентиляции можно рассчитать как:
Где:
Таким образом , разница температур, необходимая между внутренним и наружным воздухом для механической вентиляции с рекуперацией тепла, чтобы превзойти естественную вентиляцию с точки зрения общей энергоэффективности, может быть рассчитана как:
Где:
SFP — удельная мощность вентилятора в Па, Дж/м 3 или Вт/(м 3 /с).
В типичных условиях комфортной вентиляции с эффективностью рекуперации тепла 80% и SFP 2000 Дж/м 3 получаем:
Поэтому в климате, где средняя абсолютная разница между внутренней и наружной температурами превышает ~ 10K, аргумент сохранения энергии в пользу выбора естественной вентиляции вместо механической может быть поставлен под сомнение. Однако следует отметить, что тепловая энергия может быть дешевле и более экологичной, чем электричество. Особенно это касается районов, где имеется централизованное теплоснабжение .
Для разработки систем естественной вентиляции с рекуперацией тепла необходимо сначала решить две присущие 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 дымоходного типа, основанную на эффекте дымовой трубы при рекуперации тепла с использованием большого противоточного рекуператора, изготовленного из гофрированного оцинкованного железа. Как приток, так и вытяжка осуществлялись через некондиционируемое чердачное помещение, при этом вытяжной воздух удалялся на высоте потолка, а воздух подавался на уровне пола через вертикальный воздуховод.
Было обнаружено, что устройство обеспечивает достаточный поток вентиляционного воздуха для дома на одну семью и рекуперацию тепла с эффективностью около 40%. Однако устройство оказалось слишком большим и тяжелым, чтобы его можно было использовать на практике, а эффективность рекуперации тепла слишком низкой, чтобы конкурировать с механическими системами того времени. [8]
Более поздние попытки в первую очередь были сосредоточены на ветре как на основной движущей силе из-за его более высокого потенциала давления. Однако это создает проблему, связанную с большими колебаниями рабочего давления.
При использовании ветряных башен, размещенных на крыше вентилируемых помещений, приточную и вытяжную системы можно разместить близко друг к другу, на противоположных сторонах малых башен. [9] Эти системы часто оснащены оребренными тепловыми трубками , хотя это ограничивает теоретическую максимальную эффективность рекуперации тепла. [10]
Также были протестированы контуры с жидкостной связью для достижения непрямого теплового соединения между вытяжным и приточным воздухом. Хотя эти испытания оказались в некоторой степени успешными, в жидкостной муфте используются 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 очевидное отсутствие влияния на рынок этих коммерчески доступных продуктов, которые, как утверждается, обеспечивают естественную вентиляцию и высокую эффективность рекуперации тепла.
Радикально новый подход к естественной вентиляции с рекуперацией тепла в настоящее время разрабатывается в Орхусском университете, где теплообменные трубы интегрируются в конструкционные бетонные плиты между этажами зданий. [15]
Стандарты, касающиеся скорости вентиляции, в США см. в стандарте ASHRAE 62.1-2010: Вентиляция для приемлемого качества воздуха в помещении . [16] Эти требования касаются «всех помещений, предназначенных для проживания людей, за исключением помещений в односемейных домах, многоквартирных постройках высотой не более трех этажей над землей, транспортных средствах и самолетах». [16] В редакции стандарта в 2010 году раздел 6.4 был изменен, чтобы указать, что большинство зданий, в которых предусмотрены системы естественного кондиционирования помещений, также должны «включать в себя систему механической вентиляции, предназначенную для соответствия процедурам скорости вентиляции или IAQ [в ASHRAE 62.1] -2010]. Механическую систему следует использовать, когда окна закрыты из-за экстремальных температур наружного воздуха, шума и проблем безопасности». [16] В стандарте указано, что двумя исключениями, при которых здания с естественным кондиционированием не требуют механических систем, являются случаи:
Кроме того, компетентный орган может разрешить разработку системы кондиционирования, которая не имеет механической системы, а опирается только на естественные системы. [16] Что касается того, как следует проектировать средства управления системами кондиционирования, стандарт гласит, что они должны принимать во внимание меры по «правильной координации работы систем естественной и механической вентиляции». [16]
Еще одним источником информации является стандарт ASHRAE 62.2-2010: Вентиляция и приемлемое качество воздуха в малоэтажных жилых зданиях. [17] Эти требования касаются «односемейных домов и многоквартирных построек высотой не более трех этажей над уровнем моря, включая промышленные и модульные дома», но не применимы «к временному жилью, такому как гостиницы, мотели, дома престарелых, общежития или тюрьмы». [17]
Стандарты, касающиеся скорости вентиляции, в США см. в стандарте ASHRAE 55-2010: Термические условия окружающей среды для пребывания людей. [18] На протяжении всех изменений его объем соответствовал сформулированной в настоящее время цели: «определить комбинации тепловых факторов окружающей среды в помещении и личных факторов, которые будут создавать тепловые условия окружающей среды, приемлемые для большинства жителей помещения». [18] Стандарт был пересмотрен в 2004 году после того, как результаты полевых исследований исследовательского проекта ASHRAE RP-884: разработка адаптивной модели теплового комфорта и предпочтений показали, что существуют различия между помещениями с естественным и механическим кондиционированием в отношении тепловой реакции обитателей. , смена одежды, наличие контроля и изменения в ожиданиях пассажиров. [19] Дополнение к стандарту 5.3: Дополнительный метод определения приемлемых температурных условий в естественно вентилируемых помещениях использует подход адаптивного теплового комфорта для зданий с естественным кондиционированием путем определения приемлемых диапазонов рабочих температур для помещений с естественным кондиционированием. [18] В результате проектирование систем естественной вентиляции стало более осуществимым, что было признано ASHRAE как путь к дальнейшему устойчивому, энергоэффективному и удобному для жильцов проектированию. [18]
![{\displaystyle \Delta T=2000/(1000*1,2*(1-0,8))=8,33[K]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/ddce43385b0a9b0ac3871ef33881effc58f987ab)
{{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь ){{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь ){{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь ){{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )
Университетские исследовательские центры, которые в настоящее время проводят исследования естественной вентиляции:
Рекомендации по естественной вентиляции: