Роль окон в системе естественной вентиляции помещений. Вентиляционные устройства и приспособления, применяемые в оконных конструкциях

Как уже отмечалось в предыдущих главах, самочувствие людей, находящихся в по­мещении, напрямую зависит от его микроклимата, определяемого, в частности, такими факторами, как температура и влажность воздуха, а также содержание в нем двуокиси углерода - СО₂.

Замена старых окон, имевших неплотности и щели, на новые - герметичные, с хо­рошо продуманной системой уплотнений, неизбежно приводит к нарушению режима естественной вентиляции помещений. В настоящее время проблема доступа свежего воздуха в помещения через герметичные оконные конструкции является одной из наи­более остро стоящих перед российскими специалистами, и до сих пор еще не нашла своего окончательного решения. Очевидно, что система естественной вентиляции бу­дет являться эффективной только в том случае, если она отвечает целому ряду проти­воречащих друг другу требований, таких как:

· обеспечение необходимого обмена наружного и внутреннего воздуха в поме­щении за счет достаточного притока и вытяжки;

· недопустимость избыточных теплопотерь;

· обеспечение высокой степени изоляции от уличного шума;

· защита от проникновения насекомых, дождевой влаги, снега, пыли, а также обледенения в зимний период.

Для того, чтобы правильно запроектировать окна, как устройства для вентиляции помещений, обеспечивающие приток свежего воздуха, необходимо выбрать критерии, которые указывали бы на качество вентилирования. При этом можно руководствовать­ся следующими основными предпосылками.

Воздух внутри помещения отличается от наружного воздуха по трем основным па­раметрам: 1) температуре; 2) влажности; 3) составу. При этом, с точки зрения естест­венной вентиляции, наиболее важны второй и третий критерии. Остановимся на них более подробно.

В нормальном незагрязненном состоянии воздух состоит из 21% кислорода, 78% азота, 0.95% аргона и 0.03% углекислого и других газов. Кроме того, в воздухе всегда содержится некоторое количество водяного пара.

Для жизнедеятельности человека, животных и растений прежде всего важны пока­затели по кислороду и углекислому газу. Количество углекислого газа СО₂ в наружном воздухе составляет для городской среды 0.4 - 0.5 л/ м ³ или 0.07 - 0.1 %. Допустимая концентрация СО₂ в помещении составляет 1 л/ м ³. Человек в результате жизнедея­тельности выделяет от 25 до 45 л/ч углекислого газа. Для снижения содержания СО₂ в помещении, где находятся люди, до уровня допустимого, необходимо обеспечить при­ток свежего воздуха порядка 25-30 л/ч на одного человека.

Требования нормативных документов сводятся к обеспечению кратности воздухо­обмена внутри помещения, или, иными словами, к необходимому количеству воздуха, удаляемого из помещения за единицу времени. Так, согласно СНиП 2.08.01-89, крат­ность естественного воздухообмена для жилых комнат составляет 3 м³ /ч на 1 м ² пло­щади комнаты и 60 м ³ / ч на все помещение для кухни.

Таким образом, при проектировании вентиляционных устройств в окнах по крите­рию содержания в помещении углекислого газа, необходимо исходить из того, что при­ток воздуха должен быть постоянным, не зависящим от времени года, погодных усло­вий, аэродинамики здания и др. Иными словами, необходима специальная система, круглогодично поддерживающая содержание СО₂ в воздухе помещений в пределах нормы.

В отличие от содержания СО₂, критерий влажности внутреннего воздуха в значи­тельной степени подвержен дифференцированному анализу для зимних и летних усло­вий эксплуатации. В зимнее время при температуре наружного воздуха, равной - 20 ⁰С, его абсолютная влажность может составлять 0.5 г/м³ (при относительной влажности, близкой к 100%). В то же время, внутренний воздух при температуре + 20°С и относи­тельной влажности 50% содержит 8.7 г/м³, что в 17 раз больше, чем в наружном возду­хе. При такой большой разнице парциальных давлений к интенсивному влагообмену приводит даже очень незначительная разгерметизация окон. При этом, как уже отмеча­лось выше, в летнее время при приблизительно равной температуре воздуха внутри помещения и снаружи, условия влагообмена будут принципиально иными.

Традиционный взгляд на окно, как элемент наружной ограждающей конструкции, предполагает, что оно, помимо зрительного контакта с окружающей средой и обеспе­чения естественной освещенности, должно также выполнять все функции, связанные с вентилированием помещения. Поэтому все крупные системы ПВХ-профилей, как пра­вило, включают в себя дополнительные вентиляционные устройства. Кроме того, суще­ствует ряд фирм, непосредственно специализирующихся на их выпуске (Renson, Aereco, Siegenia).

По своему конструктивному решению дополнительные вентиляционные устройст­ва, применяемые с оконными системами, можно условно разделить на четыре основ­ные группы:

· разнообразные ограничители открывания (или так называемые устройства для микропроветривания), входящие в комплект оконной фурнитуры;

· открывающиеся заслонки и планки, а также специальные вентиляционные ка­налы, устанавливаемые на ПВХ-профилях;

· проветривающие устройства, устанавливаемые в нижней или верхней части оконной рамы;

· частично воздухопроницаемые уплотнители.

Кроме того, вентиляционные устройства могут быть также классифицированы по фактору, активизирующему их действие. Работа вентиляционных устройств может регулироваться:

· вручную в зависимости от субъективных ощущений человека, находящегося в помещении (путем механического открывания соответствующих заслонок и клапанов или включения вентилятора с электроприводом);

· автоматически в зависимости от изменения статического давления на наруж­ной поверхности оконной рамы (ветрового, а также возникающего вследствие разности температур изнутри и снаружи здания);

· автоматически в зависимости от изменения влажности внутреннего воздуха помещения;

При этом все вентиляционные устройства, независимо от конструкции и активизи­рующего их фактора (включая устройства с ручным управлением), предназначены для обеспечения режима вентиляции помещения в течение длительного времени без уча­стия человека (в отличие от так называемого "залпового проветривания", когда провет­ривание помещения осуществляется путем периодического открывания окон на корот­кое время).

Поскольку для системного анализа работы вентиляционных устройств наиболее ин­тересен фактор, активизирующий их действие, на отдельных примерах рассмотрим принцип их работы согласно соответствующей классификации.

В способе вентиляции с помощью частичной выемки уплотнения, применяемой многими производителями профильных систем из ПВХ, для каждого периметра створ­ки рассчитывается длина части стандартного уплотнения, подлежащего замене на бо­лее низкое, обеспечивающее зазор между профилями коробки и створки, приблизи­тельно в 2 мм или на так называемое «перфорированное» или «щеточное» уплотнение.

При этом увеличение воздухопроницаемости такого окна может быть проиллюст­рировано табл.4.1 а и 4.1 б.

Таблица 4.1 а

Объем воздуха, проходящего через стыки между створкой и коробкой стандартного окна, изготовленного из пластиковых профилей системы Veka Softline AD, имеющего в верхней горизонтальной части стыка одинарное резиновое и одинарное щеточное уп­лотнение (более плотное окно)

Таблица 4.16

Объем воздуха, проходящего через стыки между створкой и коробкой стандартного окна, изготовленного из пластиковых профилей системы Veka Softline AD, имеющего в верхней горизонтальной части стыка двойное щеточное уплотнение (менее плотное окно)

Из табл. 4а и 46 хорошо видна зависимость воздухопроницаемости окна от разно­сти давлений, вызывающей движение воздуха через уплотнения. Так для более плотно­го окна (табл.4.1 а), при увеличении разности давлений в 10 раз (с 10 до 100 Па), возду­хопроницаемость окна увеличивается примерно в 5,5 раз, а для менее плотного (табл.46) - в 9 раз.

На рис. 4.1 показана вентиляционная планка системы Brugmann. Планка, так же как рама и створка, представляет многокамерный ПВХ-профиль. В зависимости от по­требности помещения в свежем воздухе, открывается необходимое количество сквоз­ных отверстий, просверленных в планке. Внутри планки воздух проходит через множе­ство смещенных по отношению друг к другу вентиляционных отверстий. Отверстия защищены от насекомых сеткой из нержавеющей стали. Вентиляционная планка Brug­mann регулируется вручную, в зависимости от субъективных потребностей чело­века. Аналогичные устройства можно встретить, например, в системах профилей Veka и Kommerling.

В качестве усовершенствованного варианта устройств, вышеописан­ного типа можно привести венти­ляционные планки, в которых пре­дусмотрены специальные меры по дополнительной изоляции от уличного шума. На рис. 4.2 пока­зан так называемый звукоизоли­рующий вентилятор системы Veka. Внутренняя камера устрой­ства покрыта специальным звуко-поглотителем. Вентилятор уста­навливается горизонтально или вертикально в фальц рамы или в стену.

Большая номенклатура уст­ройств подобного типа с различ­ным уровнем снижения внешнего шума выпускается фирмой Siegenia под маркой Aeromat.

На рис. 4.3 показана вентиляционная за­слонка системы Gealan Clima Control, реагирую­щая на изменение статического давления на на­ружной поверхности оконной рамы. В нормаль­ном положении заслонка открыта, и поток возду­ха из фальца окна через отверстия в стенках про­филя и далее через прорези уплотнения попадает в помещение. В случае усиления воздушного по­тока, он поворачивает заслонку и перекрывает себе путь. По мере уменьшения скорости ветра заслонка снова открывается, и свободная циркуляция воздуха восстанавливается.

При перепаде давлений в 10 Па система обеспечивает воздухообмен в 3.6 м³/ ч. С ростом перепада давления циркуляция воздуха возрастает. Начиная с величины 100 Па, заслонка начинает закрываться. При значениях перепада давления от 150 Па и выше величина воздухообмена вновь возрастает, но уже за счет роста воздухопроницаемости окна в целом.

В качестве примера вентиляционного устройства, реагирующего на изменение влажности в помещении, можно привести систему приточно-вытяжных устройств французской фирмы Аегесо. Устройство представляет собой короб, внутри которого установлен механический датчик влажности, состоящий из 8-ми полосок полиамида. Эта ткань имеет свойство удлиняться или сокращаться в зависимости от изменения относительной влажности воздуха. Чем выше влажность, тем больше открывается за­слонка, пропускающая воздух.

В технологии Аегесо учтены изменения потребности вентиляции отдельных по­мещений квартиры в различное время суток. Дневная и ночная потребность в вентиля­ции показана на рис. 4.4.

Выше был приведен обзор вентиляционных устройств различного типа, используе­мых с современными оконными системами. Для анализа эффективности использования различных систем проветривания, сформулируем основные требования к режиму есте­ственной вентиляции помещений, а также рассмотрим процесс естественного воздухо­обмена здания в целом.

Естественная вентиляция помещений жилых и общественных зданий необходима для обеспечения:

o требуемой относительной влажности помещения (фв =55% для гражданских зданий согласно МГСН 2.01.94);

o допустимой концентрации двуокиси углерода – СО₂ в помещении (1 л/ м ³ или 1.5 г/кг (0.15%));

o содержания количества кислорода в воздухе, необходимого для помещений с источниками открытого огня (кухонь, в которых установлены газовые плиты). При этом все перечисленные условия должны быть соблюдены круглогодично - как в зимнее, так и в летнее время.

В настоящее время в российском жилищном строительстве принимается следующая схема вентиляции квартир. Вытяжка осуществляется естественным путем непосредст­венно из зоны его наибольшего загрязнения, т.е. из кухонь и санитарных помещений через вентиляционные каналы. Его замещение происходит за счет наружного воздуха, поступающего через негерметичности наружных ограждений (главным образом через окна) и посредством проветривания всех помещений квартиры. Квартира рассматрива­ется в качестве единого объема, в котором воздух перетекает из одного помещения в другое через межкомнатные двери, имеющие подрезку внизу, или находящиеся в от­крытом положении. При этом характер воздухообмена в квартире в значительной мере определяется воздушным режимом всего здания в целом.

Естественный перенос воздуха в здании осуществляется под действием разности давлений внутреннего и наружного воздуха, возникающей вследствие перепада темпе­ратур или под действием ветра.

Под влиянием внешних воздействий в здании создается распределение давлений, зависящее от геометрической формы здания и его аэродинамической характеристики, высоты помещений и разницы температур внутри и снаружи, степени изоляции от­дельных этажей или групп помещений друг от друга, а также защищенности здания от воздействия ветра. В холодный период года, при безветрии, в нижней зоне здания или помещения через любые неплотности и отверстия в ограждающих конструкциях про­исходит приток холодного наружного воздуха внутрь помещений (инфильтрация), а в верхней зоне, где создается избыточное давление по сравнению с атмосферным - уда­ление теплого воздуха наружу (эксфильтрация).

Эти явления, вызывающие естественный воздухообмен в помещении или в здании, в особенности заметны при сильных морозах, когда разность температур наружного и внутреннего воздуха отапливаемых помещений наиболее велика.

За счет действия ветра на наветренной стороне здания создается подпор, а избыточ­ное статическое давление возникает на наружных поверхностях ограждений. На завет­ренной стороне образуется разрежение, и статическое давление оказывается понижен­ным. С наветренной стороны действие ветра усиливает инфильтрацию, а с заветренной - уменьшает ее.

Таким образом, в многоэтажных зданиях в условиях относительного безветрия можно выделить зоны характерных (преобладающих во времени) давлений: положи­тельных (превышающих атмосферное), отрицательных (меньших атмосферного) и не­устойчивых (изменяющих свой знак).

В зоне положительных давлений, располагающейся в самой верхней части здания, преобладает удаление воздуха через отверстия и неплотности в ограждающих конст­рукциях; в зоне отрицательных давлений, занимающей всю нижнюю и среднюю по высоте часть здания, характерна инфильтрация холодного воздуха. Зона неустойчивых давлений близка к нейтральной поверхности.

Такое распределение давлений характерно практически для всех многоэтажных зданий, вследствие недостаточной изоляции квартир от лестничных клеток. При этом на эпюру давлений для здания в целом накладывается распределение давлений в каж­дом отдельном этаже, как показано на рис. 4.5 [5 ].

В многоэтажных зданиях отдельные помещения и квартиры, расположенные на разных этажах, изначально находятся в неодинаковых условиях естественного возду­хообмена, возникающих за счет аэродинамики здания. Ситуация может быть дополни­тельно осложнена такими факторами, как наличие балконов и лоджий, а также сплош­ной воздухонепроницаемой перегородки внутри здания. Кроме того, значительная раз­ница в характере воздухообмена существует между зданиями, имеющими теплый чер­дак или совмещенную кровлю, и зданиями с холодным чердаком.

Разница давлений, вызывающая перенос воздуха в здании и возникающая за счет температурного градиента, может быть определена [5] по формуле:

Зависимость веса воздуха от температуры может быть проиллюстрирована табл.4.2.

Таблица 4.2

Физические свойства воздуха

Согласно формуле (4.1.1) и табл. 4.2, в летнее время, когда температура наружного и внутреннего воздуха приблизительно одинаковы, разница давлений Δ Р_t близка к нулю, а движение воздуха через неплотности в оконных проемах может осуществлять­ся только под действием ветра.

В зимнее время внутренний и наружный воздух, содержащий различное количество водяного пара (и имеющий вследствие этого различный объемный вес), начинает дви­гаться изнутри помещения наружу.

При температуре внутреннего воздуха +20 ° С и наружного - 20 ° С, разница давле­ний за счет температурного градиента для одноэтажного здания с высотой этажа в 3 м, составит

Δ Р_t = 3 (1.396 - 1.205) = 0.573 кг / м ² = 5.62 Па

Соответственно для 10-этажного здания высотой 30 м (с высотой каждого этажа по 3 м), эта цифра составит 56. 2 Па, а для 20-этажного здания, высотой 60 м -112.4 Па.

Как уже отмечалось (табл.4.1 а и 4.16), воздухопроницаемость окна с частичной вы­емкой уплотнения в значительной степени определяется разницей давлений на его по­верхностях. Если, например, на 10-м и 20-м этажах высотного здания установить окна с одинаковой выемкой уплотнения (табл.4.16), то их воздухопроницаемость будет разли­чаться более чем в два раза в зимнее время, и в обоих случаях будет близка к нулю ле­том.

Аналогичные рассуждения можно привести и для устройств, реагирующих на изме­нение статического давления на поверхности окна. Так, например, чтобы активизиро­вать закрывание заслонки в системе Gealan Clima Control, необходимо иметь разницу давлений в 100 Па. Таким образом, использование системы подобного типа будет целе­сообразно только на верхних этажах 17-20-этажного дома в зимнее время и крайне не­эффективно, скажем, в коттеджном строительстве.

Идея управления разгерметизацией окон при помощи специальных датчиков, реа­гирующих на изменение влажности, представляется достаточно интересной с точки зрения учета переменных (зима - лето) условий работы вентиляционных устройств.

Вместе с тем, наиболее чувствительным препятствием к их использованию являют­ся труднопрогнозируемые процессы естественной сушки новых зданий после заверше­ния строительства, что в значительной мере влияет на влажность внутреннего воздуха в помещениях.

Наружные стены, выполненные из быстро высыхающих материалов и обладающие ограниченной толщиной, достигают влажностного состояния, приближающегося к нормальному, в течение одного достаточно жаркого летнего периода. Массивные сте­ны, выполненные из медленно высыхающего материала, сохнут в течение ряда лет. Технологическая влага, содержащаяся в конструкции, в зимнее время испаряется в сто­рону отапливаемого помещения, что приводит к повышению влажности его внутренне­го воздуха, независимо от количества находящихся в нем людей и т.д.

Общие выводы

Процесс естественной вентиляции помещения определяется целым рядом сложных и противоречивых факторов, достаточно трудно увязываемых между собой на стадии проектирования. Вполне понятно, что окно, являясь слабым местом в наружной обо­лочке здания с точки зрения теплотехники и звукоизоляции, не должно рассматривать­ся как единственно возможный путь для притока воздуха, закладываемый в норматив­ные документы.

Гораздо более реальной выглядит ситуация, когда вентилирование помещений при помощи окон и устанавливаемых на них вентиляционных устройств рассматривается в качестве некоторого дополнительного элемента к запроектированной системе вентиля­ции здания в целом. При этом использование вентиляционных устройств и режима проветривания будет определяться субъективными ощущениями человека, находяще­гося в конкретном помещении.