Фильтрация воздуха через ограждающие конструкции (как внешние, так и смежные) оказывает существенное влияние на баланс тепла, влаги и концентрации газов в помещениях. Количество инфильтрующегося, эксфильтрующегося воздуха зависит от целого ряда взаимозависимых факторов.

1. Воздухопроницаемость ограждающих конструкций как внешних, так и внутренних. Чем плотнее конструкции, тем меньше фильтрация воздуха.

2. Площадь остекления. Воздухопроницаемость световых проемов в несколько раз выше проницаемости стен.

3. Высота здания. Чем выше здание, тем больше будет разница давлений на ограждающие конструкции, вызванная разницей температур и давлением ветра. В помещениях на разных этажах количество фильтрующегося воздуха будет отличаться не только по количеству, но и по направлению. Максимальная инфильтрация - на нижних этажах, эксфильтрация - на верхних.

4. Архитектурное решение. Тамбуры, шлюзы, разделение по герметичным зонам, отделение от жилых помещений лестничных клеток и лифтовых шахт, герметичность перекрытий и коммуникационных шахт.

5. Разницы внешней и внутренней температуры. Чем больше разница температур (плотность воздуха), тем больше Архимедовы силы, вызывающие движение воздушных масс.

6. Скорости и направления ветра. Ветер оказывает положительное давление на здание с наветренной стороны и создает разрежение с заветренной стороны.

7. Вентиляция. Режимы работы вентиляции (баланс, разряжение, подпор) влияют на давление в помещение и высоту смещения нейтральной зоны как целом по зданию, как и в помещениях на этажах.

8. Качество строительных работ и сборки конструкций. Герметичность конструкций влияет на интенсивность выветривания помещений, а также на саму их долговечность.

Однако в действительности этого не происходит, т.к. оштукатуренные бетонные межэтажные перекрытия почти воздухонепроницаемы, двери же, выходящие на личную клетку, для перетекания воздуха представляет значительное сопротивление.

Если бы этажи были изолированы друг от друга, то график разности давлений имел бы вид, изображенной на рис. 12б. На каждом этаже, нейтральная зона проходила бы посередине, и количество инфильтрующегося и эксцентричного воздуха для каждого этажа было бы одинаковым.

При расчете фильтрации воздуха в основе положенны следующие допущения.

1. Наружные окна и двери, выходящие на лестничную клетку, считаются закрытыми. Периодическим открыванием дверей для прохода, которые будут вызывать смещение нейтральной зоны изменять установившийся воздухообмен, ввиду кратковременности открывания пренебрегаем.

2. Температура наружного воздуха по высоте (в пределах до 100 метров) принята постоянный, так как метеорологические наблюдения показывают, что эти изменения весьма незначительный - максимум 1°С на 100 метров высоты.

3. Воздухопроницаемостью межэтажных перекрытий, а также внутренних окон и перегородок, разделяющих квартиры, пренебрегаем в виду незначительности по сравнению с воздухопроницаемости наружных окон и дверей.

4. Ввиду невозможности точно оценки распределения неплотностей в ограждениях воздухопроницаемость можно считать равномерной по высоте помещений.

5. Количество воздуха, фильтрующегося через наружные ограждения, будет прямо пропорциональна площади эпюра давлений воздуха на поверхности этих ограждений. При равномерном распределении неплотностей и прямой пропорциональности между разностью давлений и воздухопроницаемости это допущение будет вполне справедливым.

6. Количество воздуха, фильтрующегося через щели дверей, учитывая, что поток воздуха в этих целях имеет, как правило, турбулентный характер, будет пропорциональным разности давлений в степени 1/2.

7. Межкомнатные двери считаются открытыми так как это часто бывает на практике.

Способ первый. По балансу воздуха на лестничной клетке.

Здания типа «башня» имеет одну лестничную клетку. Ширина фасада такого здания не более 25 метров. Это приводит к боковому обтекание здания ветром, и следовательно, к необходимости учета распределения скоростей по высоте. На воздушный режим зданий в виде башни заметное влияние оказывает воздухообмен через окна боковых фасадов.

Здания типа «пластина» имеет несколько лестничных клеток (секций) и ширину фасада более 25 метров. Обтекание здания ветром происходит преимущественно над ним, поэтому в расчете учитывается средняя по высоте скорость ветра. Влиянием торцов (боковых фасадов) в этом случае можно пренебречь.

Максимальный расход теплоты - G_i Вт, на нагревание инфильтрующегося воздуха определяется по формуле:

G_i=0,28∙Q_i∙c∙(t_t-t_a ), (19)

где: Q_i - расход инфильтрующегося воздуха, кг/ч, через наружные ограждающие конструкции помещения (здания),

c - удельная теплоемкость воздуха, равная 1 кДж/(кг°С);

t_t,t_a - расчетные температуры воздуха, °С, в здании или в помещении и наружного воздуха, °С;

Расход воздуха, Q_i кг/ч, через окна площадью F_ок любого n-го этажа с наветренной стороны здания можно выразить так:

Q_i=0,47∙√((H_зд∙∆ρ∙g)/S_прив ∙) В_(и.пом n)∙F_ок (20)

где: 0,47∙√((H_зд∙∆ρ∙g)/S_прив ) – единица расхода через 1 м² площади окна здания высотой H_зд, кг/(ч·м² );

∆ρ – разница плотностей наружного и внутреннего воздуха, кг/м³ ;

S_прив – удельная характеристика приведенного сопротивления окна с учетом сопротивления двери:

S_прив=s_ок+S_дв∙F_ок^2 (21)

где: s_ок – характеристика сопротивления воздухопроницанию окна, Па·ч/кг,

S_дв – характеристики сопротивления воздухопроницанию двери:

S_дв=Σξ/(26∙10^6∙ρ∙l_щ^2∙δ_щ^2 ) (22)

где: Σξ – сумма коэффициентов местных сопротивлений;

l_щ – длина притвора, щели, м;

δ_щ – толщина щели притвора, м.

F_ок – площадь окна, м² ;

В_(и.пом n) – коэффициент, показывающий, сколько единиц расхода составляет инфильтрация через 1 м² площади окна на n-ом этаже здания. Зависимость этого коэффициента от p'_v представлена на рисунке 13.

p'_v – относительное давление ветра, рассчитываемое по формуле:

p^'_v=(0,6∙ρ_н∙v_н^2)/(H_зд∙∆ρ∙g) (23)

где: v – скорость ветра, м/с.

Способ второй. По давлению ветра и разнице температур.

Пример 8. Расчет воздухопроницаемости

Дано: Площадь окон 9 м² , воздухопроницаемость 3,0 кг/(м² ·ч) при Δ10Па,

Площадь стен 27 м² , воздухопроницаемость 0,5 кг/(м² ·ч) при Δ10Па,

Площадь входной двери в квартиру 2,5 м² , воздухопроницаемость 1,5 кг/(м² ·ч) при Δ10Па,

Скорость ветра 5 м/с на высоте 3,0 м от земли,

Температура внешнего воздуха минус 21°С,

Температура воздуха в помещении 20°С,

Высота здания 18 этажей, высота этажа 3,2 м.

Смещением нейтральной зоны давления внутри здании в результате работы вентиляции, неплотностей внутренних ограждающих конструкций и воздействия ветра можно пренебречь.

Найти: Рассчитать количество фильтрующегося воздуха через ограждающие конструкции и входные двери в одинаковых квартирах первого и последнего этажей с наветренной и заветренной стороны.

Решение: Определяем скорость ветра на высоте первого и последнего этажа по формуле: v_h=v_0 (h_f/h_0 )^(1/4), (32).

На высоте 3 м, v=5,0 м/с - по заданию, на высоте 18 этажа v_h=5((18∙3,2)/3,0)^(1/4)=10,3 м/с.

Удельный вес и плотность воздуха при температуре минус 21°С по формулам:

γ=3463/(273+t), (31) и ρ_a=γ/9,81=353/(273+t°С), (26). γ_(-21)=3463/(273-21)=13,74 Н/м³ , ρ_(-21)=13,17/9,81=1,40 кг/м³ .

При 20°С γ_20=11,81 Н/м³ , ρ_20=1,20 кг/м³ .

Разность давлений на внутренней и внешней поверхностях ограждающих конструкций ∆p_f Па, определяем по формуле: Δp_f=(0,55∙h_f∙(γ_a-γ_t )+0,03∙γ_a ∙v_h^2 )∙K, (29).

На высоте 1 этажа с наветренной стороны:

Δp_(1 нав.ΔТ)=0,55∙18∙3,2∙(13,74-11,81)=61 Па, от разницы температур.

Δp_(1 нав.ветер)=0,03∙13,74∙5^2=10 Па, от воздействия ветра.

Δp_(1 нав.)=(61+10)∙0,8=57 Па.

Тоже с заветренной стороны:

Δp_(1 зав.)=(61+10)∙(-0,6)=-43 Па.

Аналогично рассчитываем на высоте 18 этажа с наветренной стороны:

Δp_(18 нав.ΔТ)=0,55∙18∙3,2∙(13,74-11,81)=61 Па, от разницы температур.

Δp_(18 нав.ветер)=0,03∙13,74∙10,3^2=44 Па, от воздействия ветра.

Δp_(18 нав.)=(61+44)∙0,8=84 Па.

Тоже с заветренной стороны:

Δp_(18 зав.)=(61+44)∙(-0,6)=-63 Па.

Воздухопроницаемость окон и стен Q_ix, кг/ч рассчитывают по формуле: Q_ix=A_x∙G_x∙((∆p_f)/Δp_0 )^(2⁄3), (34)

На высоте 1 этажа с наветренной стороны:

Q_(1 нав.окна)=9∙3,0∙(57/10)^(2⁄3)=+87 (кг/ч),

Q_(1 нав.стены)=27∙0,5∙(57/10)^(2⁄3)=+43 (кг/ч) ,

Q_(1 нав.)=(87+43)∙1,40=+182 м³ /ч инфильтрация.

Тоже с заветренной стороны:

Q_(1 зав.)=9∙3,0∙(43/10)^(2⁄3)+27∙0,5∙(43/10)^(2⁄3)=107 (кг/ч)∙1,20∙(-1)=-129 м³ /ч эксфильтрация.

На высоте 18 этажа с наветренной стороны:

Q_(18 нав.)=9∙3,0∙(84/10)^(2⁄3)+27∙0,5∙(84/10)^(2⁄3)=168 (кг/ч)∙1,40=+236 м³ /ч инфильтрация.

На высоте 18 этажа с заветренной стороны:

Q_(18 зав.)=9∙3,0∙(63/10)^(2⁄3)+27∙0,5∙(63/10)^(2⁄3)=139 (кг/ч)∙1,20∙(-1)=-167 м³ /ч эксфильтрация.

Распределение давления на лестничной клетке p_tr без учета вентиляции, Па: p_tr=h_e/2∙(γ_a-γ_t ), (35)

p_tr=(18∙3,2)/2∙(13,74-11,81)=±55, Па, на нижних этажах отрицательное на верхнее положительное давление.

Эксфильтрация через входные двери квартиры на высоте 1 этажа (из квартиры на лестничную клетку):

Q_(1 дв.)=2,5∙1,5∙√(55/10)=8,8 (кг/ч)∙1,20=-11 м³ /ч.

На высоте 18 этажа Q_(18 дв.)=+11 м³ /ч инфильтрация через входные двери квартиры.

Максимально допустимый расход инфильтрующегося воздуха через ограждающие конструкции рассчитывается по формуле:

Q_i=ΣS_k∙q_50, (36)

где ΣS_k – общая площадь ограждающих конструкций граничащих с внешним воздухом, м² ;

q_50 – нормативная воздухопроницаемость при разнице давлений 50 Па,

q50≤ 1,5 м³ /(м² ·ч) для зданий оборудованных системой вентиляции с рекуперацией тепла;

q50 ≤ 2 м³ /(м² ·ч) для зданий с механической вентиляцией;

q50 ≤ 3 м³ /(м² ·ч) для зданий с естественной вентиляцией (проветриванием);

q50 ≤ 4 м³ /(м² ·ч) для производственных зданий;

Нормативная воздухопроницаемость при фактическом перепаде давления рассчитывается по формуле:

q_nf=Q_i50∙((∆P_f)/50)^(2⁄3), (37)

где Q_i50 – инфильтрация воздуха при разнице давлений 50 Па;

∆P_f – фактическая разница давлений на ограждающей конструкции.

Пример 9. Расчет нормативной воздухопроницаемости ограждающих конструкций при разных перепадах давления.

Дано: Общая площадь ограждающих конструкций, граничащих с внешним воздухом = 70 м2.

q50 = 1,5 м³ /(м² ·ч), здание оборудовано системой вентиляции с рекуперацией тепла.

Найти: Рассчитать количество воздуха, инфильтрующегося через ограждающие конструкции при перепаде давления 10, 50 и 100 Па.

Решение: При Δ50Па: Q_i=ΣS_k∙q_50,(36). Q_i50=70∙1,5=105 м³ /ч;

При Δ10Па: q_nf=Q_i50∙((∆P_f)/50)^(2⁄3),(37). q_nf10=105∙(10/50)^(2⁄3)=36 м³ /ч;

При Δ100Па: q_nf100=105∙(100/50)^(2⁄3)=167 м³ /ч;

Нормативная воздухопроницаемость в помещении (м³ /ч) зависит от внешних условий. При Δ10Па, в условиях отсутствия ветра и малом перепаде температур (улицы и помещения), максимально допустимое количество инфильтрующегося воздуха составит 36 м³ /ч. При Δ100Па, в условиях сильного ветра и мороза, количество инфильтрующегося воздуха составит уже 167 м³ /ч, что тоже будет соответствовать нормативным требованиям.

Ошибки архитектурных и инженерных технических решений приводит к проблемам вызванными неорганизованным движениями больших воздушных масс в новостройках или реконструированных зданиях, что вызывает следующие проблемы в ходе эксплуатации:

1. Перетекание запахов между этажами и смежными помещениями;

2. Сильное выветривание нижних этажей здания;

3. Отсутствие тамбуров и шлюзов на входных дверях или использование вращающихся дверей в высотных зданиях приводит к всасыванию в вестибюль больших масс холодного воздуха;

4. Застекленные фасады с высокой воздухопроницаемостью в результате чего, во время сильного ветра здание сильно продувается;

5. Недостаточная мощность системы отопления на догрев инфильтрующегося воздуха.