Воздушным режимом здания называют совокупность факторов и явлений, определяющих общий процесс обмена воздуха между всеми его помещениями и наружным воздухом, включающий перемещение воздуха внутри помещений, движение воздуха через ограждения, проемы, каналы и воздуховоды и обтекание здания потоком воздуха. Традиционно при рассмотрении отдельных вопросов воздушного режима здания их объединяют в три задачи: внутреннюю, краевую и внешнюю.

Общая физико-математическая постановка задачи о воздушном режиме здания возможна лишь в самом обобщенном виде. Отдельные процессы весьма сложны. Описание их базируется на классических уравнениях переноса массы, энергии, импульса в турбулентном потоке.

С позиций специальности «Теплоснабжение и вентиляция» наиболее актуальны следующие явления: инфильтрация и эксфильтрация воздуха через наружные ограждения и проемы (неорганизованный естественный воздухообмен, увеличивающий теплопотери помещения и снижающий теплозащитные свойства наружных ограждений); аэрация (организованный естественный воздухообмен для вентиляции теплонапряженных помещений); перетекание воздуха между смежными помещениями (неорганизованное и организованное).

Естественными силами, вызывающими движение воздуха в здании, являются гравитационное и ветровое давления. Температура и плотность воздуха внутри и снаружи здания обычно неодинаковы, в результате чего гравитационное давление по сторонам ограждений оказывается разным. За счет действия ветра на наветренной стороне здания создается подпор, а на поверхностях ограждений возникает избыточное статическое давление. На заветренной стороне образуется разрежение и статическое давление оказывается пониженным. Таким образом, при ветре давление с внешней стороны здания отличается от давления внутри помещений.

Гравитационное и ветровое давления обычно действуют совместно. Воздухообмен под влиянием этих естественных сил трудно рассчитывать и прогнозировать. Его можно уменьшить, уплотняя ограждения, а также частично регулировать с помощью дросселирования каналов вентиляции, открыванием окон, фрамуr и вентиляционных фонарей.

Воздушный режим связан с тепловым режимом здания. Инфильтрация наружного воздуха приводит к дополнительным затратам тепла на его подогрев. Эксфильтрация влажного внутреннего воздуха увлажняет и снижает теплозащитные свойства ограждений.

Положение и размеры зоны инфильтрации и эксфильтрации в здании зависят от геометрии, конструктивных особенностей, режима вентилирования здания, а также от района строительства, времени года и параметров климата.

Между фильтрующимся воздухом и ограждением происходит теплообмен, интенсивность которого зависит от места фильтрации в конструкции ограждения (массив, стык панелей, окна, воздушные прослойки и т. д.). Таким образом, возникает необходимость в расчетах воздушного режима здания: определении интенсивности инфильтрации и эксфильтрации воздуха и решении задачи теплопередачи отдельных частей ограждения при наличии воздухопроницания.

Воздушным режимом здания называют совокупность факторов и явлений, определяющих общий процесс обмена воздуха между всеми его помещениями и наружным воздухом, включающий перемещение воздуха внутри помещений, движение воздуха через ограждения, проемы, каналы и воздуховоды и обтекание здания потоком воздуха. Традиционно при рассмотрении отдельных вопросов воздушного режима здания их объединяют в три задачи: внутреннюю, краевую и внешнюю.

Общая физико-математическая постановка задачи о воздушном режиме здания возможна лишь в самом обобщенном виде. Отдельные процессы весьма сложны. Описание их базируется на классических уравнениях переноса массы, энергии, импульса в турбулентном потоке.

С позиций специальности «Теплоснабжение и вентиляция» наиболее актуальны следующие явления: инфильтрация и эксфильтрация воздуха через наружные ограждения и проемы (неорганизованный естественный воздухообмен, увеличивающий теплопотери помещения и снижающий теплозащитные свойства наружных ограждений); аэрация (организованный естественный воздухообмен для вентиляции теплонапряженных помещений); перетекание воздуха между смежными помещениями (неорганизованное и организованное).

Естественными силами, вызывающими движение воздуха в здании, являются гравитационное и ветровое давления. Температура и плотность воздуха внутри и снаружи здания обычно неодинаковы, в результате чего гравитационное давление по сторонам ограждений оказывается разным. За счет действия ветра на наветренной стороне здания создается подпор, а на поверхностях ограждений возникает избыточное статическое давление. На заветренной стороне образуется разрежение и статическое давление оказывается пониженным. Таким образом, при ветре давление с внешней стороны здания отличается от давления внутри помещений.

Гравитационное и ветровое давления обычно действуют совместно. Воздухообмен под влиянием этих естественных сил трудно рассчитывать и прогнозировать. Его можно уменьшить, уплотняя ограждения, а также частично регулировать с помощью дросселирования каналов вентиляции, открыванием окон, фрамуr и вентиляционных фонарей.

Воздушный режим связан с тепловым режимом здания. Инфильтрация наружного воздуха приводит к дополнительным затратам тепла на его подогрев. Эксфильтрация влажного внутреннего воздуха увлажняет и снижает теплозащитные свойства ограждений.

Положение и размеры зоны инфильтрации и эксфильтрации в здании зависят от геометрии, конструктивных особенностей, режима вентилирования здания, а также от района строительства, времени года и параметров климата.

Между фильтрующимся воздухом и ограждением происходит теплообмен, интенсивность которого зависит от места фильтрации в конструкции ограждения (массив, стык панелей, окна, воздушные прослойки и т. д.). Таким образом, возникает необходимость в расчетах воздушного режима здания: определении интенсивности инфильтрации и эксфильтрации воздуха и решении задачи теплопередачи отдельных частей ограждения при наличии воздухопроницания.

Основные параметры физико-климатических факторов

Климат - совокупность погодных условий, повторяющихся из года в год. На климат влияют: высота, географическое положение, близость больших водоемов, течение, преобладающие ветра. Воздух (температура, влажность, ветер), температура и влажность грунта, осадки, солнечная радиация.

Факторы, определяющие микроклимат помещения

Тепловая обстановка в помещении определяется совместным действием ряда факторов: температуры, подвижности и влажности воздуха помещения, наличием струйных течений, распределением параметров состояния воздуха в плане и по высоте помещения (всё вышеперечисленное характеризует воздушный режим помещения), а также радиационным излучением окружающих поверхностей, зависящим от их температуры, геометрии и радиационных свойств (характеризующим радиационный режим помещения). Комфортное сочетание этих показателей соответствует условиям, при которых отсутствует напряжение в процессе терморегуляции человека.

Воздушный и радиационный режим помещения

Процессы перемещения воздуха внутри помещений, движения его через ограждения и отверстия в ограждениях, по каналам и воздуховодам, обтекания здания потоком воздуха и взаимодействия здания с окружающей воздушной средой объединяются общим понятием воздушный режим здания. В отоплении рассматривается тепловой режим здания. Эти два режима, а также влажностный режим тесно связаны между собой. Аналогично тепловому режиму при рассмотрении воздушного режима здания различают три задачи: внутреннюю, краевую и внешнюю.

К внутренней задаче воздушного режима относятся следующие вопросы:

а) расчет требуемого воздухообмена в помещении (определение количества поступающих в помещения вредных выделений, выбор производительности систем местной и общеобменной вентиляции);

б) определение параметров внутреннего воздуха (температуры, влажности, скорости движения и содержания вредных веществ) и распределения их по объему помещений при различных вариантах подачи и удаления воздуха. Выбор оптимальных вариантов подачи и удаления воздуха;

в) определение параметров воздуха (температуры и скорости движения) в струйных течениях, создаваемых приточной вентиляцией;

г) расчет количества вредных выделений, выбивающихся из-под укрытий местных отсосов (диффузия вредных выделений в потоке воздуха и в помещениях);

д) создание нормальных условий на рабочих местах (душирование) или в отдельных частях помещений (оазисы) путем подбора параметров подаваемого приточного воздуха.

Радиационный режим. Лучистый теплообмен.

Важной составляющей сложного физического процесса, обуславливающего тепловой режим помещения, является теплообмен на его поверхностях.

Лучистый теплообмен в помещении имеет особенность: он происходит в замкнутом объеме в условиях ограниченных температур, определенных радиационных свойств поверхностей и геометрии их расположения. Тепловое излучение поверхностей в помещении можно рассматривать как монохроматическое, диффузное, подчиняющееся законам Стефана-Больцмана, Ламберта и Кирхгофа, инфракрасное излучение серых тел.

Как один из видов поверхностей в помещении своеобразные радиационные свойства имеет оконное стекло. Оно частично проницаемо для излучения. Оконное стекло, хорошо пропускающее коротковолновое излучение, практически непрозрачно для излучения с длиной волн более 3-5 мкм, которое характерно для теплообмена в помещении.

Воздух помещения при расчете лучистого теплообмена между поверхностями обычно считают лучепрозрачной средой. Он состоит в основном из двухатомных газов (азота и кислорода), которые практически прозрачны для тепловых лучей и сами не излучают тепловой энергии. Незначительное содержание многоатомных газов (водяного пара и углекислого газа) при малой толщине слоя воздуха в помещении практически не изменяет этого свойства.

За счет разности температур под действием гравитационного давления в помещения нижних этажей через ограждение проникает наружный воздух; с наветренной стороны действие ветра усиливает инфильтрацию; с заветренной – уменьшает ее.

Внутренний воздух с первых этажей стремиться проникнуть в верхнее помещение (он перетекает через внутренние двери и коридоры, которые соединены с лестничной клеткой).

Из помещений верхних этажей воздух уходит через не плотности наружных ограждений за пределы здания.

Помещения средних этажей могут находиться в условиях смешанного режима. На естественный воздухообмен в здании накладывается действие приточной и вытяжной вентиляции.

1. При отсутствии ветра на поверхностях наружных стен будет действовать разной величины гравитационное давление. По закону сохранения энергии среднее давление по высоте внутри и снаружи здания будет одинаковым. Относительно среднего уровня в нижней части здания давление столба теплого внутреннего воздуха будет меньше, чем давление столба наружного холодного воздуха с внешней поверхности стены.

Плотностью нулевого избыточного давления называется нейтральной плоскостью здания.

Рисунок 9.1 – Построение эпюр избыточных давлений

Величина избыточного давления гравитационного на произвольным уровне h относительно нейтральной плоскости:

(9.1)

2. Если здание обдувается ветром, а температуры внутри здания и вне его равны, то на внешних поверхностях ограждений будет создаваться повышение статического давление или разряжение.

По закону сохранения энергии давление внутри здания при одинаковой проницаемости будет равно среднему значению между повышенным с наветренным и пониженным с заветренной стороны.

Абсолютная величина избыточного ветрового давления:

, (9.2)

где k 1 ,k 2 – аэродинамические коэффициенты соответственно с наветренной и заветренной стороны здания;

Динамическое давление, набегающее на здание потоком воздуха.

Для расчета инфильтрации воздуха через наружное ограждение разность давлений воздуха снаружи и внутри помещения, Па, составляет:

где Н ш – высота устья вентиляционной шахты от уровня земли (отметка расположения точки условного нуля давления);

Н э – высота центра рассматриваемого элемента здания (окно, стена, дверь и т.д.) от уровня земли;

Коэффициент, вводимый на скоростное давление и учитывающий изменение скорости ветра от высоты здания, изменение скорости ветра от наружной температуры зависит от района;

Давление воздуха в помещение, определяемое из условия соблюдения воздушного баланса;

Избыточное относительное давление в помещение из-за действия вентиляции.

Например, для административных зданий корпусов НИИ и им подобных характерна сбалансированная приточно-вытяжная вентиляция в рабочем режиме или полное отключение вентиляции в нерабочее время Р в = 0. Для таких зданий ориентировочное значение:

3. Для оценки влияния воздушного режима здания на тепловой режим используют упрощенные способы расчета.

Случай А. В многоэтажном здании во всех помещениях вентиляционная вытяжка полностью компенсируется вентиляционным притоком, поэтому = 0.

К этому случаю относятся здания без вентиляции или с механической приточно-вытяжной вентиляцией всех помещений с равными расходами по притоку и вытяжке. Давление равно давлению в лестничной клетке и непосредственно соединенных с ней коридорах.

Величина давления внутри отдельных помещений находится между давлением и давлением на внешней поверхности этого помещения . Принимаем, что за счёт разности воздух последовательно проходит через окна и внутренние двери, выходящие на лестничную клетку, и коридоры, исходные расходы воздуха и давления внутри помещения можно рассчитать по формуле:

где - характеристики проницаемости площади окна, двери из помещения выходящих в коридор или на лестничную клетку.

Тепловой режим здания

Общая схема теплообмена в помещении

Тепловая обстановка в помещении определяется совместным действием ряда факторов: температуры, подвижности и влажности воздуха помещения, наличием струйных течений, распределением параметров воздуха в плане и по высоте помещения, а также радиационным излучением окружающих поверхностей, зависящим от их температуры, геометрии и радиационных свойств.

Для изучения формирования микроклимата, его динамики и способов воздействия на него нужно знать законы теплообмена в помещении.

Виды теплообмена в помещении: конвективный - возникает между воздухом и поверхностями ограждений и приборов системы отопления – охлаждения, лучистый - между отдельными поверхностями. В результате турбулентного перемешивания неизотермических струй воздуха с воздухом основного объема помещения происходит «струйный» теплообмен. Внутренние поверхности наружных ограждений в основном теплопроводностью через толщину конструкций передают теплоту наружному воздуху.

Тепловой баланс любой поверхности i в помещении может быть представлен на основе закона сохранения энергии уравнением:

где Лучистая Лi, конвективная Кi, Тi кондуктивная, составляющие теплообмена на поверхности.

Влага воздуха помещения

При расчете влагопередачи через ограждения необходимо знать влажностное состояние воздуха в помещении, определяемое выделением влаги и воздухообменом. Источниками влаги в жилых помещениях являются бытовые процессы (приготовление пищи, мытье полов и пр.), в общественных зданиях - находящиеся в них люди, в промышленных зданиях - технологические процессы.

Количество влаги в воздухе определяется eгo влагосодержание d, г влаги на 1 кг сухой части влажного воздуха. Кроме тoгo, eгo влажностное состояние характеризуется упругостью или парциальным давлением водяных паров е, Па, или относительной влажностью водяных паров φ, %,

Е- максимальная упругость при данной температуре.

Воздух обладает определенной влагоудерживающей способностью.

Чем суше воздух, тем с большей силой удерживается в нём водяной пар. Упругость водяного пара е отражает свободную энергию влаги в воздухе и возрастает от 0 (сухой воздух) до максимальной упругости Е , соответствующей полному насыщению воздуха.

Диффузия влаги происходит в воздухе от мест с большей упругостью водяных паров к местам с меньшей упругостью.

η возд = ∆d /∆е.

Упругость полного насыщения воздуха Е, Па, зависит от температуры t нас и с ее возрастанием увеличивается. Величина Е определяется:

Если необходимо знать температуру t нас, которой соответствует то или иное значение Е, можно определить:

Воздушный режим здания

Воздушным режимом здания называют совокупность факторов и явлений, определяющих общий процесс обмена воздуха между всеми eгo помещениями и наружным воздухом, включающий перемещение воздуха внутри помещений, движение воздуха через ограждения, проемы, каналы и воздуховоды и обтекание здания потоком воздуха.

Воздухообмен в здании происходит под действием естественных сил и работы искусственных побудителей движения воздуха. Наружный воздух поступает в помещения через неплотности ограждений или по каналам приточных вентиляционных систем. Внутри здания воздух может перетекать между помещениями через двери и неплотности во внутренних конструкциях. Внутренний воздух удаляется из помещений за пределы здания через неплотности наружных ограждений и по вентиляционным каналам вытяжных систем.

Естественными силами, вызывающими движение воздуха в здании, являются гравитационное и ветровое давления.

Расчётная разность давлений:

1-ая часть-гравитационное давление, 2-ая-часть ветровое давление.

где Н-высота здания от поверхности земли до верха карниза.

Max из средних скоростей по румбам за январь.

С н,С п -аэродинамические коэффициенты с подветренной и наветренной поверхностей ограждения здания.

К i -коэф. учёта изменения скоростного давления ветра.

Температура и плотность воздуха внутри и снаружи здания обычно неодинаковы, в результате чего гравитационное давление по сторонам ограждений оказывается разным. За счет действия ветра на наветренной стороне здания создается подпор, а на поверхностях ограждений возникает избыточное статическое давление. На заветренной стороне образуется разрежение и статическое давление оказывается пониженным. Таким образом, при ветре давление с внешней стороны здания отличается от давления внутри помещений. Воздушный режим связан с тепловым режимом здания. Инфильтрация наружного воздуха приводит к дополнительным затратам теплоты на его подогрев. Эксфильтрация влажного внутреннего воздуха увлажняет и снижает теплозащитные свойства ограждений. Положение и размеры зоны инфильтрации и эксфильтрации в здании зависят от геометрии, конструктивных особенностей, режима вентилирования здания, а также от района строительства, времени года и параметров климата.

Между фильтрующимся воздухом и ограждением происходит теплообмен, интенсивность которого зависит от места фильтрации в конструкции (массив, стык панелей, окна, воздушные прослойки). Так, возникает необходимость в расчетах воздушного режима здания: определении интенсивности инфильтрации и эксфильтрации воздуха и решении задачи теплопередачи отдельных частей ограждения при наличии воздухопроницания.

Инфильтрация-проникновение воздуха в помещение.

Эксфильтрация-уход воздуха из помещения.

Предмет строительной теплофизики

Строительная теплофизика – наука, изучающая проблемы теплового, воздушного и влажностного состояний внутренней среды и ограждающих конструкций зданий любого назначения и занимающаяся вопросами создания микроклимата в помещениях, применяя системы кондиционирования (отопления –охлаждения и вентиляции) с учетом влияния наружного климата через ограждения.

Для понимания формирования микроклимата и определения возможных способов воздействия на него необходимо знать законы лучистого, конвективного и струйного теплообмена в помещении, уравнения общего теплообмена поверхностей помещения и уравнение теплообмена воздуха. На основе закономерностей теплообмена человека с окружающей средой формируются условия теплового комфорта в помещении.

Основное сопротивление потере теплоты из помещения оказывают теплозащитные свойства материалов ограждения, поэтому закономерности процесса теплопередачи через ограждения являются важнейшими при расчете системы отопления помещений. Влажностный режим ограждения является одним из основных при расчете теплопередачи, поскольку переувлажнение приводит к заметному снижению теплозащитных свойств и долговечности конструкции.

С тепловым режимом здания тесно связан и воздушный режим ограждений, поскольку инфильтрация наружного воздуха требует затрат теплоты на его подогрев, а эксфильтрация влажного внутреннего воздуха увлажняет материал ограждений.

Изучение выше рассмотренных вопросов позволят решать задачи создания микроклимата в зданиях в условиях эффективного и экономного расходования топливно-энергетических ресурсов.

Тепловой режим здания

Тепловым режимом здания называется совокупность всех факторов и процессов, определяющих тепловую обстановку в его помещениях.

Совокупность всех инженерных средств и устройств, обеспечивающих заданные условия микроклимата в помещениях здания, называют системой кондиционирования микроклимата (СКМ).

Под действием разности наружной и внутренней температур, солнечной радиации и ветра помещение теряет теплоту через ограждения зимой и нагревается летом. Гравитационные силы, действие ветра и вентиляция создают перепады давлений, приводящие к перетеканию воздуха между сообщающимися помещениями и к его фильтрации через поры материала и неплотности ограждений.

Атмосферные осадки, влаговыделения в помещениях, разность влажности внутреннего и наружного воздуха приводят к влагообмену в помещении, через ограждения, под влиянием которого возможно увлажнение материалов и ухудшение защитных свойств и долговечности наружных стен и покрытий.

Процессы, формирующие тепловую обстановку помещения, необходимо рассматривать в неразрывной связи между собой, так как их взаимное влияние может оказаться весьма существенным.