Разность давлений воздуха вызвана тремя факторами:

– разностью удельных весов воздуха с двух сторон проема;

– давлением на ограждения здания при его обтекании ветровым потоком;

– дисбалансом систем приточной и вытяжной вентиляции.

Величина разности давлений воздуха кроме указанных факторов зависит от герметичности ограждающих конструкций, наличия или отсутствия в них других открытых проемов, щелей, неплотностей и т. п. и определяется в результате расчета воздушного режима здания.

Расчет воздушного режима здания состоит в определении разности давлений снаружи и внутри здания, вызывающей потоки воздуха через ограждения: открытые проемы, щели, неплотности и т. п., и расхода воздуха в этих потоках. Величина расхода воздуха рассчитывается по известным формулам:

или

Формула ( описывает турбулентный режим течения, наблюдаемый в открытых проемах, отверстиях, щелях и т. п.; формула ( – смешанный режим течения, характерный для неплотностей в закрытых светопрозрачных ограждениях.

Известно несколько способов расчета разности давления воздуха DPi [1–5]. Наиболее удобным и универсальным следует считать метод «условного 0», предложенный В. П. Титовым [4]. Этот метод устанавливает непрерывный уровень отсчета давлений и позволяет иметь эпюры давлений «стандартной формы» практически для любых граничных условий при расчете воздушного режима зданий. Обычно уровень «условного 0» назначается в центре или вверху наиболее высоко (от уровня пола) расположенного отверстия на заветренной стороне здания. Ось абсцисс направлена вниз.

На 1 представлены эпюры давлений при совместном действии гравитационных сил и ветра при неизменяемых по высоте значениях температуры воздуха и скорости ветра, полученные сложением эпюр при их раздельном действии. В общем случае расчетное давление снаружи здания для каждого отверстия, относительно внутреннего избыточного, определяется по формуле:

Давление внутри здания P0 постоянно. Разность давлений снаружи и внутри здания DP = Pн – P Несбалансированная механическая вентиляция не влияет на форму эпюр давления.

Значение внутреннего избыточного давления P0 определяется из уравнения воздушного баланса здания:

Решение уравнения ( относительно значения внутреннего давления P0 для зданий с большим числом отверстий, проводится на ПК.

Обычно загодя не известно, через какие отверстия происходит приток воздуха, Pн > P0, а через какие – вытяжка, Pн < P Чтобы избежать затруднений при проведении расчетов, формулу ( удобно записывать в следующей форме:

Расчет воздушного режима зданий с открывающимися воротами и дверями, защищаемыми ВЗ или ВТЗ, имеет ряд особенностей. У любого вертикального отверстия разность гравитационного давления снаружи и внутри здания изменяется по высоте. Часто таким изменением можно пренебречь, рассчитывая расход воздуха по разности давлений в центре отверстий. В ряде случаев изменение гравитационного давления по высоте отверстия необходимо учитывать. К таким отверстиям, получившим название «высоких отверстий», чаще всего относятся проемы ворот и дверей, высокое остекление стен и др. Иногда часть «высокого отверстия» работает на приток, а часть – на вытяжку [2, 4, 5].

В современных общественных зданиях с малой воздухопроницаемостью ограждений расходы воздуха через переплеты остекления существенно (не менее чем на порядок) меньше, чем через проемы ворот и дверей, и их можно не учитывать. В производственных зданиях с естественной вентиляцией влияние открытых проемов, щелей, технологических отверстий существенно, и их следует учитывать при расчете воздушного режима. изучим естественный воздухообмен при совместном действии гравитационного и ветрового давления в здании с воротами и дверями, расположенными на наветренной и заветренной сторонах. Будем полагать, что суммарная площадь неплотностей в ограждениях здания, находящихся выше ворот А1, и расположена на заветренной стороне.

Уровень «условного 0» поместим на уровне центра неплотностей А1.

Будем полагать, что других открытых проемов и неплотностей в здании нет, а температура воздуха внутри здания, v ветра снаружи здания и k расхода воздуха через проемы ворот и дверей не изменяются по высоте ( . Эпюра давлений снаружи здания имеет форму прямоугольной трапеции с основанием:

Эпюра давлений внутри здания имеет форму прямоугольника с горизонтальной стороной P0, причем:

В общем случае разность давлений (Pн – P будет положительна для нижней части проемов, H > h0 и H > h’0, и отрицательна для верхней части отверстия, H – hвор < h0 и H – hдв < h’ В проемах ворот и дверей будет иметь место приток воздуха в нижней их части и вытяжка – в верхней. Расход воздуха через элементарную площадку iго «высокого отверстия» высотой dh составит:

Расход приточного воздуха, соответственно:

а вытяжного:

Уравнение воздушного баланса/расхода ( запишется следующим образом:

Поскольку через проемы ворот и дверей воздух как поступает в здание (на уровнях от H до h0 и от H до h’ , так и удаляется (на уровнях от h0 до (H – hвор), и от h’0 до (H – hдв), очевидно, что на некотором расстоянии h0 и h’0 есть линия, служащая разделом для течения воздуха – внутрь здания и наружу.

На уровне h’0 наружное и внутреннее давление одинаковы, то есть:

cоответственно:

а

В результате интегрирования уравнение ( , при условии

с учетом условий (1 и (1 , приводит к следующему выражению:

Последнее уравнение связывает м. собой все переменные величины, определяющие воздушный режим здания с «высокими» и обычными отверстиями: геометрические размеры отверстий, bвор, bдв, hвор, hдв, Aотв, и их расположение относительно «условного 0», hi, высоту здания и уровень расположения «условного 0», H, разность плотностей внутреннего и наружного воздуха, Dr, ветровое давление, DCPW, дисбаланс механической вентиляции, DGмех, и уровень изменения направления потока воздуха в «высоком отверстии» – проемах ворот и дверей, h Решение этого уравнения возможно путем итераций или графически, когда известны численные значения исходных данных. При решении целесообразно записать его в форме ( . Для ряда часто встречающихся случаев получены более простые зависимости.

Анализ воздушного режима зданий с проемами в наружных ограждениях, оборудованных воздушнотепловыми завесами
изучим несколько частных случаев воздушного режима зданий с проемами, оборудованными воздушными завесами.

Герметичное здание
Для рассматриваемых условий из выражения (1 получим (для условий H = hвор):

соответственно:

или

Из формул (1 и (1 следует, что в рассмотренном случае ветровое давление не влияет на распределение давления и расход воздуха через проем. Если выбрать точку расположения «условного 0» произвольно, например, на уровне H > hвор, то:

а

где

Формула (1 позволяет рассчитать разность давлений по обе стороны «высокого» проема (в данном случае ворот) на любом уровне по высоте проема. На уровне «h0» разность давлений равна 0 ( условие (1 , на уровне hвор ее значение максимальное. Поскольку гравитационное давление изменяется по высоте линейно, расчетную величину разности давлений при расчете или поборе ВТЗ будем принимать равной средней по высоте проема [1], то есть:

Герметичные здания с воротами и дверями разной высоты
Примером таких зданий могут служить здания с воротами высотой hвор и дверями высотой hдв, расположенными по одной стороне здания. Полагаем, hдв < hвор. Разность давлений в проеме ворот определяется по формуле (1 . Разность давлений в проеме дверей определяется аналогично. Расходы воздуха в проемах ворот и дверей и суммарный расход воздуха могут быть рассчитаны по формуле ( . Сопоставляя формулы для расходов воздуха в каждом проеме и суммарного расхода, получим:

где

Герметичные здания с воротами на наветренной и заветренной сторонах
Из условий (1 и (1 , при одинаковой площади ворот на наветренной и заветренной сторонах, следует:

Очевидно, что когда Pw=0, h0 = h’0, для условий h0 = 0, h’0 = hвор. Таким образом, имеем:

или

Из последней формулы следует: чем больше высота ворот, тем при большей скорости ветра имеет место сквозное проветривание, когда по всей высоте ворот на наветренной стороне происходит приток воздуха – по всей высоте ворот на заветренной стороне происходит вытяжка. «Критическая» величина скорости, когда по всей высоте ворот на наветренной стороне происходит приток воздуха, составляет для ворот высотой hвор = 2, 3 и 4 м соответственно Wкр = 1,24; 2,54 и 2,93 м/с. Когда величина скорости ветра больше критической, W > Wкр, ворота и двери следует рассматривать как обычные проемы. Разность давлений в проеме определится следующей формулой:

Когда величина скорости ветра меньше критической, W < Wкр, значения h0 и h’0 определяются из формулы (1 . Формула имеет вид:

График, построенный по этой формуле, представлен на 3.

Здания с воротами и открытыми проемами, расположенными выше уровня ворот
Примером таких зданий являются здания с открывающимися проемами, щелями или неплотностями. Очевидно, что наличие открытых проемов в верхней части здания увеличит расход приточного воздуха в проемах ворот и дверей, соответственно, уровень h0, расстояние от «условного 0» до уровня, где наружное и внутреннее давление равны, уменьшится. Из выражения (1 следует:

Из последней формулы следует: для условий

Отверстия и неплотности, расположенные в здании выше ворот и дверей, создают дополнительное разрежение в помещении, аналогичное работе вытяжного вентилятора. В зданиях с разрежением внутреннее давление уменьшается, разность давления увеличивается, уровень h0, на котором наружное и внутреннее давление одинаковы, уменьшается. Графики для определения уровня h0, в зависимости от уровня и величины неплотностей в здании выше ворот, размеров ворот и скорости ветра, представлены на 4.

При достаточно больших разрежениях величина h0 достигает значения:

т. е. по всей высоте проема происходит приток воздуха. Например, для условий и W = 0, что соответствует случаю, когда весь проем ворот работает на приток воздуха.

В формулу (2 входит, в качестве переменной, высота расположения «условного 0», H, величина которой влияет на величину гравитационного давления. Нетрудно показать, что при одинаковых расходах воздуха через проем ворот и проем Аi м. площадью проема Ai и высотой его расположения Hi м. этими величинами есть следующая зависимость:

Здания с несбалансированной механической вентиляцией
В зданиях с несбалансированной механической вентиляцией изменяется внутреннее избыточное давление и, соответственно, расходы воздуха в проемах.

Влияние на воздушный режим разрежения в помещении, создаваемого механической вытяжной вентиляцией, аналогично влиянию проема, расположенного выше уровня верха ворот.

В зданиях с подпором внутреннее избыточное давление увеличивается, разность давления уменьшается, уровень h0, на котором наружное и внутреннее давление одинаковы, увеличивается. При достаточно больших подпорах величина h0 достигает значения h0 = H, т. е. по всей высоте проема происходит удаление воздуха. Например, для условий h0 = H и DC = 0, что соответствует случаю, когда весь проем ворот работает на вытяжку воздуха.

В зданиях с разрежением внутреннее избыточное давление уменьшается, разность давления увеличивается, уровень h0, на котором наружное и внутреннее давление одинаковы, уменьшается. При достаточно большом разрежении величина h0 достигает значения h0 = H – hвор, т. е. по всей высоте проема происходит приток воздуха.

Графики, построенные по формулам (2 и (2 , представлены на 5.

Порядок определения разности давлений при подборе ВТЗ
Анализ воздушного режима ряда наиболее часто встречающихся вариантов общественных и промышленных зданий позволил предложить приближенный метод (экспрессметод) расчета разности давлений в открытых проемах ворот в зависимости от объемнопланировочных решений здания и герметичности ограждающих конструкций. Предлагаемый метод не охватывает все многообразие условий формирования воздушного режима здания. В частности, не рассматриваются здания, в которых, наряду с проемами с турбулентным режимом течения воздуха, имеются неплотности со смешанным режимом течения. Как показывают расчеты, этими неплотностями в зданиях, имеющих открывающиеся ворота и двери, можно пренебречь. Формулы и графики для определения расчетной разности давления в проемах, защищаемых шиберующей ВЗ, представлены в табл. Возможен следующий алгоритм определения разности давлений при подборе ВТЗ с использованием данных табл. 1:

– по исходным данным устанавливается тип и схема здания;

– исходные данные приводятся к виду, предусмотренному в табл. 1;

– по формулам и графикам определяются значения высоты нейтральной линии, h0, и разности давлений, DP.

Литература
Каменев П. Н. Отопление и вентиляция. Часть II. Вентиляция. М.: Стройиздат, 1964.

Батурин В. В., Эльтерман В. М. Аэрация промышленных зданий. М.: Гостройиздат, 1963.

Бутаков С. Е. Основы вентиляции горячих цехов. Свердловск: Металлургиздат, 1962.

Отопление и вентиляция. Часть II. Вентиляция. Под ред. В. Н. Богословского. М.: Стройиздат, 1976.

E. Shilkrot, A. Strongin. В кн. Industrial Ventilation. Design Guide Book. Academic Press, 2001.