автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Оценка эффективности естественного воздухообмена жилых помещений

На правах рукописи

САЙФУТДИНОВА АДЕЛЯ МУСАЯФОВНА

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ЕСТЕСТВЕННОГО ВОЗДУХООБМЕНА ЖИЛЫХ ПОМЕЩЕНИЙ

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань 2014 г.

005548925

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Казанский государственный архитектурно-строительный университет»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор Куприянов Валерий Николаевич

Соловьев Алексей Кириллович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет», заведующий кафедрой Архитектуры гражданских и промышленных зданий

Дацюк Тамара Александровна, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет», заведующий кафедрой Строительной физики и химии

ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет», г. Нижний Новгород

Защита состоится «28» мая 2014 года в II00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.077.01 на базе Казанского государственного архитектурно-строительного университета по адресу: 420043, г. Казань, ул. Зеленая, д. 1, КазГАСУ, ауд. 3-203 (зал заседаний Ученого совета).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Казанского государственного архитектурно-строительного университета http://diss.kgasu.ru/

Автореферат разослан «14» апреля 2014 года

Ученый секретарь диссертационного совета

Абдрахманова Ляйля Абдулловна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Комфортные условия в помещениях жилых зданий определяются комплексом взаимосвязанных процессов. В соответствии с санитарно-эпидемиологическими нормативными документами (СанПиН) в жилых помещениях должны быть обеспечены: тепловой комфорт (микроклимат), световой комфорт (естественное освещение), инсоляционный комфорт (заданная продолжительность солнечного облучения), шумовой комфорт (не превышение нормативного уровня шума) и т.д.

Особое место в этом перечне занимает воздушный комфорт (воздухообмен), то есть обеспечение жилых помещений свежим воздухом, что определяется кратностью смены «грязного» воздуха помещений более чистым атмосферным с сохранением санитарно-гигиенических скоростей воздушных потоков в помещениях.

Всемирной организацией здравоохранения установлено, что воздух жилых помещений в 4-5 раз более загрязненный, чем атмосферный. Человек проводит в жилых помещениях до 70% времени и возникает «синдром больного здания» (Sick building syndrome), признаками которого являются насморк, раздражение глаз, сухость кожи, головная боль, кашель, усталость.

В настоящее время воздухообмен в жилых помещениях обеспечивается проектированием естественной вентиляции, как наиболее экономичной. Нормы проектирования естественной вентиляции позволяют оценить только один параметр воздухообмена - объем удаляемого воздуха.

Изучение этого вопроса показало, что нормы естественной вентиляции имеют ряд существенных недостатков и неопределенностей, а именно: не позволяют оценить скорости воздушных потоков в помещениях и их перетекание из «грязных» помещений в чистые; не учитывают изменение теплового напора в связи с годовым ходом температуры наружного воздуха и не учитывают ветровой напор, что существенно влияет на величину располагаемого напора; в действующих нормах отсутствует понятие «качество воздухообмена жилых помещений».

В связи с изложенным, изучение закономерностей воздухообмена в жилых помещениях зданий массовой застройки в зависимости от объемно-планировочных решений квартир с учетом параметров климата является весьма актуальной задачей.

Цель работы: установление закономерностей естественного воздухообмена жилых помещений и разработка на этой основе метода оценки качества воздухообмена и рекомендаций по повышению его эффективности на стадии проектирования квартир.

Задачи исследования: 1. Исследовать закономерности изменения теплового и ветрового напоров в течение года и разработать на этой основе методы определения расчетных значений температуры и скорости ветра для оценки годового хода располагаемого напора и объемов приточного воздуха.

з

2. Исследовать качественные характеристики воздухообмена жилых помещений в зависимости от параметров климата и объемно-планировочных решений квартир и разработать на этой основе метод количественной оценки показателей качества воздухообмена жилых помещений.

3. Исследовать влияние дополнительных приточно-вытяжных устройств на качественные характеристики воздухообмена в жилых помещениях.

4. Разработать рекомендации по повышению эффективности воздухообмена жилых помещений на стадии проектирования квартир.

Объект исследования - жилые помещения и квартиры в жилых домах массового строительства.

Предмет исследования - качественные характеристики воздухообмена в жилых помещениях.

Методы исследования - экспериментальные (лабораторные и натурные), расчетно-аналитические и численные (с использованием пакетов прикладных программ).

Научная новизна:

- впервые установлен комплекс показателей, определяющих качество воздухообмена жилых помещений: кратность воздухообмена, траектории и скорости воздушных потоков по помещениям квартиры, продолжительность пребывания воздуха в застойных зонах помещений, перетекание воздушных потоков из «грязных» помещений в жилые комнаты и показано, что включение указанного комплекса показателей в нормы проектирования естественной вентиляции повысит качество проектирования естественного воздухообмена;

- разработан метод количественной оценки показателей качества воздухообмена жилых помещений на основе CFD моделирования с использованием программных продуктов ANSYS: FLUNT и GAMBIT, который позволит оценивать влияние объемно-планировочных решений квартир на качество воздухообмена;

- впервые установлены закономерности изменения количественных показателей качественных характеристик воздухообмена в жилых помещениях в зависимости от величины кратности воздухообмена, от объемно-планировочных решений квартир и их ориентации, от использования дополнительных приточно-вытяжных устройств;

- разработаны методы определения расчетных параметров температуры и скорости ветра, которые позволят определять реальные значения годового хода располагаемого напора.

На защиту выносятся:

1. Методы определения расчетных параметров температуры и скорости ветра для оценки годового хода располагаемого напора.

2. Зависимости влияния объемно-планировочных решений квартир и условий притока-вытяжки на показатели качества воздухообмена.

3. Закономерности влияния дополнительных приточно-вытяжных устройств на качественные характеристики воздухообмена.

4. Рекомендации по повышению эффективности воздухообмена жилых помещений на стадии проектирования квартир.

Практическая значимость работы:

- разработан метод определения объемов приточного воздуха, в котором учтены: параметры климата, аэродинамика территории застройки, ориентация здания и его этажность;

- разработаны рекомендации по повышению эффективности воздухообмена жилых помещений на стадии проектирования квартир;

- результаты исследований включены в курс лекций дисциплины «Физика среды и ограждающих конструкций», раздел «Естественный воздухообмен в помещениях» для студентов специальности «Проектирование зданий»;

- результаты выполненных исследований внедрены ООО «Группа компаний Зилант» г. Казани при использовании приточно-вытяжной системы типа СПВВР для улучшения воздухообмена в помещениях (установлено не менее 280 устройств в 230 помещениях в 70 зданиях).

Достоверность результатов, научных выводов и рекомендаций диссертационной работы обеспечивается разработкой математических моделей на основе существующих методов с использованием фундаментальных законов течения вязкой несжимаемой жидкости. Экспериментальные данные получены на основе апробированных методов и методик измерений, с использованием сертифицированного испытательного оборудования, прошедшего госповерку.

Апробация работы: Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях: 58-Й-61-Й и 64-й-66-й Республиканских научных конференциях по проблемам архитектуры и строительства (г. Казань, КГАСУ, 2006-2009 г.г., 2012-14 г.г.); 6-й Международной конференции пользователей А^Ув (г. Москва, 2008 г.); Научно-практической конференции студентов и аспирантов «Наука и инновации в решении актуальных проблем города» (г. Казань, 2008 г.); Академических чтениях «Актуальные вопросы строительной физики», НИИ Стройфизики, РААСН, МГСУ (г. Москва, 2009 г.); 7-й межрегиональной научно-практической конференции «Архитектура и инженерные системы в общественных зданиях - 2013», Минздрав РТ, (г. Казань, 2013 г.); XIV Международном симпозиуме «Энергоэффективность и энергосбережение», Министерство строительства, архитектуры и жилищно-коммунального хозяйства РТ (г. Казань, 2014 г.).

Результаты исследований отмечены стипендией Мэра г. Казани (2008 г.).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 10 научных статей, в том числе 4 в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 217 наименований и приложений. Диссертация изложена на 179 страницах, включая 159 страниц машинописного текста, 58 рисунков, 45 таблиц, и 20 страниц приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности темы.

В первой главе приведен критический анализ трудов по исследованию комфортных условий в жилых помещениях, а также нормативной и научной литературы по расчету и проектированию естественного воздухообмена (Ю.А. Табунщиков, В.А. Гримитлин, К.В. Фокин, P. Ole Fanger, B.K. Лицкевич, О. Seppanen, Э.И. Реттер, В.Н. Богословский, В.Е. Константинова, И.Ф. Ливчак, А.Л. Наумов, М.М. Грудзинский, В.К. Савин, Т.А. Дацюк, Л. Банхиди, N. Brelih, А. К. Klauss и др. ученые). При этом особое внимание уделено современному состоянию нормирования естественного воздухообмена жилых зданий массовых серий (СП 54.13330.2011, СП 60,13330.2012, СанПиН 2.1.2.2645-10, СТО НП «АВОК» 2.1-2008, TP АВОК-4-2004 и др.).

В результате обзора и анализа литературы установлено:

1. Воздух жилых помещений загрязняется результатами жизнедеятельности человека, выделениями вредных веществ из строительных материалов и мебели. Загрязнение происходит тем интенсивнее, чем меньше воздухообмен.

2. Побудителями естественного воздухообмена являются тепловой и ветровой напоры:

- тепловой напор

AP, = hg(p„-pJ, (Па) (1)

- ветровой напор

ДР„= к(pHv2)/2, (Па) (2)

где h — расстояние от центра приточного отверстия до устья вытяжной шахты (м); g - ускорение свободного падения (м/с*); рн - плотность наружного воздуха (кг/м3); р, - плотность внутреннего воздуха помещения (кг/м3); к -аэродинамический коэффициент с наветренной или заветренной стороны здания; и - скорость ветра (м/с).

3. Действующие нормы расчета естественной вентиляции используют только тепловой напор при одном значении температуры (+5 °С) для всего года, что не соответствует реальному воздухообмену в условиях эксплуатации зданий. В нормах отсутствуют понятие «качество воздухообмена жилых помещений» и методы оценки качества воздухообмена.

4. Доля ветрового напора в суммарной величине располагаемого напора может быть значительной, что указывает на необходимость его учета при оценке воздухообмена.

5. Приток свежего воздуха в жилые помещения может быть увеличен использованием дополнительных приточно-вытяжных устройств, однако многие вопросы их влияния на закономерности воздухообмена в помещениях остаются неисследованными.

6. Качество воздушной среды во многом зависит от планировочного решения квартир. «Потоки воздуха целиком во власти архитектора, избранного им планировочного решения» (В.К. Лицкевич). Однако, закономерности

б

воздухообмена в зависимости от объемно-планировочных решений квартир изучены недостаточно.

По результатам обзора сформулированы цели и задачи исследования.

Во второй главе на примере климатических условий г. Казани разработаны методы определения расчетных параметров температуры и скорости ветра для оценки реальных значений годового хода теплового и ветрового напоров и объемов приточного воздуха.

Нашими расчетами установлено, что для получения реальных значений теплового напора в его годовом ходе целесообразно использовать среднемесячные значения температуры наружного воздуха. Расчеты показали, что величина теплового напора на первом и девятом этажах различаются более чем в 10 раз, а между июлем и январем почти в 40 раз (рис. 1). Это еще раз доказывает, что единое значение величины теплового напора при ^ = +5 °С для всех сезонов года не дает реальной картины воздухообмена.

Анализ климатических данных показал, что вероятность различных скоростей ветра по месяцам не имеет больших расхождений, в связи с чем в расчетах можно использовать вероятность среднегодовых значений скоростей ветра по градациям. На основании анализа вероятностных характеристик ветрового напора при различных скоростях ветра разработан метод определения расчетной скорости ветра для оценки годового хода ветрового напора (табл. 1).

50

45

га

С 40

а. о 35

с 30

X >х 25

о Ю 20

О 15

с: Ш 10

1-

5

0

VI VII VIII

IX X XI XII Месяц года

I II III IV V —— годовой ход 1-й этаж - — годовой ход 5-й этаж

— • годовой ход 9-й этаж

—— тепловой напор при +5 (1-й этаж)

— — тепловой напор при +5 (5-й этаж) - ■ тепловой напор при +5 (9-й этаж)

Рис. 1. Величина теплового напора в его годовом ходе и нормативные значение по этажам

Таблица 1 - Обоснование расчетной скорости ветра

Скорость ветра, м/с Ветровой напор /Vi//2, Па Вероятность

Интервалы скоростей Расчетное значение и Скорости ветра в году и. выраженная в долях единицы Суммарного ветрового напора в году при л-рУ/2

1 2 3 4 5

0-2 1 0,64 0,3 0.192

3-4 3,5 7,84 0,26 2,038

5-6 5.5 19,36 0,23 4.453

7-8 7,5 36,0 0,12 4.320

9-10 9,5 57,76 0,07 4.043

11-14 12,5 100.0 0,02 2,000

Примечание: в расчетахр„ принята средней за год - 1,28 кг/м'

Из табл. 1 видно, что с увеличением скорости ветра (столбцы 1 и 2) растет ветровой напор (столбец 3), но снижается вероятность больших скоростей ветра (столбец 4). За расчетную скорость ветра предлагается принять значение, при

котором суммарный ветровой напор (столбец 5) будет максимальным - это 5,5 м/с. Установлено, что значения ветрового напора с изменением плотности наружного воздуха изменяются не значительно (максимальная разница составляет 2,3 Па), поэтому в качестве расчетной для этих целей принята плотность наружного воздуха (рн) при среднегодовом значении температуры.

Известно, что ветровой напор величина векторная, значение которого меняется не только с высотой, но и зависит от направления ветра относительно фасада здания. Анализ преобладающих направлений ветра (с повторяемостью по направлениям 16-25 %) выявил ярко выраженный годовой ход с ЮВ (в зимние месяцы) до СЗ (в летние месяцы) и обратно (рис. 2), поэтому оптимальной можно считать широтную ориентацию зданий, при этом в качестве наветренной принимать ориентацию фасада на юг (рис. 2). Квартиры односторонней ориентации оптимально ориентировать на наветренную сторону. Это означает, что окна жилых комнат, ориентированные в этом направлении для «улавливания ветрового напора», обеспечат как усиление воздухообмена, так и инсоляцию помещений. С заветренной стороны давление на фасаде уменьшается за счет обратного действия ветрового напора, поэтому двусторонние квартиры оптимально ориентировать кухней на заветренную сторону, чтобы обеспечить дополнительный подпор воздуха со стороны жилых помещений.

Для учета изменения скорости ветра с высотой в зависимости от типа местности наиболее пригодными для целей воздухообмена оказались рекомендации СП 20.13330.2011 «Нагрузки и воздействия», согласно которых для жилых домов массовых серий поправочный коэффициент кв можно определить по категории местности С (городские районы с застройкой зданиями высотой более 25 м). Для этих условий при изменении высоты здания от 5 до 200 м к„ Рис. 2. Годовой ход преобладающих изменяется от 0,4 до 1,8. направлений ветра по месяцам. 1 - здание Жилые здания массовых Серий В

широтной ориентации; 2 - квартира подавляющем большинстве случаев односторонней ориентации; 3 - квартира имеют форму параллелепипеда, для двусторонней ориентации которого, при направлении ветрового

потока к плоскости фасада 90° аэродинамические коэффициенты равны: с наветренной стороны здания к90 = +0,8, с заветренной км = -0,5. Если направление ветрового потока к плоскости фасада отличается от угла 90°, то аэродинамический коэффициент изменяется по закону синуса (3):

ка = кщг^'та (3)

где а - угол между направлением ветрового потока и плоскостью стены.

1 пяпбр! 17'- Щ| 16 4 1 огарку.

Таким образом, формула по вычислению величины ветрового напора для целей воздухообмена жилых зданий массового строительства примет окончательный вид (4):

Д?„ =к9„ -эт, Па (4)

Здесь вша учитывает ориентацию стены здания (окон) относительно направления ветра, а ке - тип местности и расположение приточного устройства (окна) по высоте.

В качестве примера на основе полученных статистически обоснованных значений побудителей воздухообмена в работе произведен расчет величины располагаемого напора и расхода приточного воздуха для двухкомнатной квартиры односторонней ориентации серии 125-03-НРУ-89 с естественной канальной вытяжной вентиляцией, где приток обеспечивается за счет воздухопроницаемости оконных конструкций С?„ =17 м3/(м2-ч) при АР0 = 100 Па (согласно ГОСТ 23168-99). В результате расчетов установлено, что расход приточного воздуха только за счет воздухопроницаемости окон даже с включением в располагаемый напор давления ветра, доля которого составляет 5-98% в зависимости от сезона и этажа здания (рис. За), в любое время года не удовлетворяет ни требованиям норм по вентиляции (Цыт = 140 м3/ч), ни санитарно-гигиеническим нормам (п=1, Ь= 146,5 м3/ч) (рис. 36). Следовательно, для обеспечения санитарно-гигиенических требований необходимо либо увеличение воздухопроницаемости оконных конструкций, либо введение дополнительных приточных устройств или приточно-вытяжных систем.

К 1-й этаж о 5-й этаж □ 9-й этаж --1-й этаж-----5-й этаж -9-й этаж

Рис. 3. Результаты расчета доли ветрового напора и расхода приточного воздуха по месяцам в зависимости от этажа для двухкомнатной квартиры односторонней ориентации: а - доля (%) ветрового напора в суммарной величине располагаемого напора; б - расход (м"/ч) приточного воздуха через типовые окна

Итогом исследований, приведенных во второй главе работы, являются методы определения расчетных параметров температуры и скорости ветра, которые позволяют оценить реальные значения годового хода располагаемого напора и объемов приточного воздуха.

В третьей главе исследованы качественные характеристики воздухообмена жилых помещений в зависимости от объемно-планировочных решений квартир и параметров «притока-вытяжки». За основу метода

9

исследования принято численное моделирование с использованием программных продуктов ANSYS: FLUENT и GAMBIT.

В качестве объектов исследования взяты 11 типов планировки квартир: одно-, двух-, трех- и четырехкомнатных, как односторонней, так и двусторонней ориентации, с расположением вытяжных каналов как в одной зоне квартиры, так и в двух зонах, расположенные на некотором удалении. Высота помещений - 2,7 м, окна - 1,5x1,5 м, вентканалы сечением 0,15x0,15 м расположены в кухне и санузле.

На основании санитарно-гигиенических требований к воздуху жилых помещений в работе определены и исследованы следующие качественные характеристики воздухообмена:

- кратность воздухообмена;

- скорости воздушных потоков в обслуживаемой зоне помещений;

- продолжительность смены воздуха в помещениях (образование застойных зон);

- интенсивность перетекания потоков воздуха из «грязных» помещений (кухня, санузлы) в чистые (жилые комнаты).

Исследования проведены в 2 этапа.

На 1-м этапе моделируется существующая ситуация в жилых домах массовой застройки: неорганизованный приток свежего воздуха только за счет нормативной воздухопроницаемости типовых окон (ГОСТ 23168-99 G„ = 17 м3/(м2ч) при АР о = 100 Па).

На 2-м этапе моделируется одинарная кратность воздухообмена (n = 1) за счет увеличения воздухопроницаемости оконных конструкций в жилых комнатах.

В качестве расчетных параметров приняты результаты, полученные во второй главе: тепловой напор АР, = 43,76 Па. ветровой напор АР„т = 46,24 Па, ЛРзав= 42,21 Па. Этаж расположения квартир - первый.

Численное моделирование воздухообмена квартир можно разбить на несколько стадий. На первой стадии в GAMBIT моделируется геометрия исследуемой квартиры. Далее задаются параметры сетки и определяются граничные условия, задаются параметры решателя и параметры среды. Производится расчет - получение результатов, их визуализация и анализ.

В качестве примера на рис. 4 представлена модель двухкомнатной квартиры, построенная в GAMBIT (а), а также результаты расчета: траектории воздушных потоков (б), их скорости (в) и время пребывания воздуха в помещениях (г).

При анализе результатов расчета следует принимать во внимание санитарно-гигиенические требования к параметрам воздухообмена - скорость потоков 0,2-0,3 м/с, время пребывания воздуха в обслуживаемой зоне не более 3600 секунд, что соответствует 1 часу. Этим методом исследованы 22 модели типовых квартир, результаты расчетов представлены в табл. 2, 3.

Рис. 4. Численное моделирование двухкомнатной квартиры односторонней ориентации: а - геометрия квартиры, построенная в GAMBIT; б - траектории движения воздушных потоков из окна кухни; в - поля скоростей в горизонтальном сечении на отметке 1,2 м от уровня пола; г - поля времени пребывания воздуха в горизонтальном сечении на отметке 1.2 м от уровня пола

Таблица 2 - Результаты расчетов воздухообмена квартир при неорганизованном притоке свежего воздуха за счет нормативной воздухопроницаемости типовых окон

Планировочные Время смены воздуха в

особенности квартиры Крат- Скорость в обслуживаемых зонах помещений, с

Модель кол- кол-во зон возду-хооб-мена, п обсл. зоне в жилых помещениях Перетекание потоков из

во комнат ориентация с вент-каналами помещений, м/с в кухне в санузле с наветр. стороны с заветр стороны

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

1о_11 1 одно-стор. 1 0,45 0,020,25 55005800 56005900 58006300 - по всей квартире

2о_12 2 одно-стор. I 0,47 0,020,22 53505700 55005800 54006200 - по всей квартире, но в дальней комнате меньше, чем в ближней

2d_l 1 2 дву-стор. 1 0,45 0,020,22 56006100 58006100 59006300 56006000 по всей квартире, но в комнате с наветр.стороны значительно меньше

2d_l1* 2 дву-стор. 1 0,45 0,020,22 56006100 57006100 59006300 56006000 по всей квартире, но в комнате с наветренной стороны меньше

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 И

Эо_13 3 одно-стор. 1 0,46 0,020,25 55006000 56005900 55006400 - по всей квартире, но в двух дальних комн. значительно меньше

3(1_12 3 дву-стор. 1 0,44 0,020,23 58006400 57006200 58006800 54006400 по всей квартире, но в комнатах с наветренной стороны меньше

3<а_22 3 дву-стор. 2 0,44 0,020,24 57006100 58006100 58006800 58006500 равномерно по всей квартире: чуть меньше в дальней комн. с наветр. стор

Зс1_11 3 дву-стор. 1 0,43 0,020,25 58006400 60006300 63006900 58006500 по всей квартире, но в дальних комнатах (с наветр. и заветр. сторон) меньше

3(121 3 дву-стор. 2 0,43 0,020,22 59006300 60006300 61006600 60006500 по всей квартире, но в дальней комнате с наветр. стор. значительно меньше

4с1_12 4 дву-стор. 1 0,44 0,020,27 57006300 58006200 57006300 57006500 по всей квартире, но в дальней комнате с наветр. стор. значительно меньше

4(1_22 4 дву-стор. 2 0,44 0,020,24 58006100 59006200 59006500 58006300 по всей квартире, но в дальних комнатах (с наветр. и заветр. сторон) меньше

Из табл. 2 видно, что при существующих конструктивных решениях окон в жилых домах массовой застройки воздухообмен квартир не соответствует санитарно-гигиенической норме: кратность воздухообмена 0,43-0,47; во всех помещениях время смены воздуха превышает 1 час (3600 с); по всем типам квартир отмечено перетекание воздуха из «грязных» помещений (кухня, санузел) в чистые (жилые комнаты). В допустимой норме остаются только скорости воздушных потоков в квартирах (0,02-0,27 м/с).

Результаты расчета подтвердили тот факт, что действующая нормативная база по проектированию естественной вентиляции не обеспечивает санитарно-гигиенические требования к воздухообмену помещений. Одной из причин этого являются избыточно герметичные оконные конструкции.

При моделировании увеличенного притока свежего воздуха до п = 1 (табл. 3) параметры воздухообмена изменяются в лучшую сторону. При сохранении скоростей воздушных потоков (0,02-0,27 м/с) резко уменьшается время смены воздуха в помещениях - оно не превышает 1 час (3600 с), снижается перетекание воздушных потоков из «грязных» помещений в жилые комнаты.

При дальнейшем увеличении притока свежего воздуха до п = 1,5 продолжается улучшение параметров качества воздухообмена. Сравнительные данные по уменьшению времени пребывания воздуха в помещениях и перетеканию воздушных потоков из «грязных» помещений в жилые комнаты при увеличении кратности воздухообмена для некоторых квартир приведены на рис. 5-6.

Исследованиями установлено, что ориентация большинства окон квартиры на наветренную сторону здания не проявляется на времени пребывания воздуха в помещениях, ориентация влияет только на условия перетекания воздушных потоков из «грязных» помещений в жилые комнаты.

Таблица 3 — Результаты расчетов воздухообмена квартир при увеличенной воздухопроницаемости оконных конструкций в жилых комнатах (п = 1)_

Модель Планировочные особенности квартиры Кратность воздухообмена, п Скорость в обсл. зоне помещений, м/с Время смены воздуха в обслуживаемых зонах помещений, с Перетекание потоков из кухни

кол-во комнат ориентация кол-во зон с вент-каналами в кухне в санузле в жилых помещениях

с наветр. стороны с заветр. стороны

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

1о_11 1 одно-стор. 1 1 0,020,27 24002700 25002700 20002500 - по всей квартире

2о_12 2 одно-стор. 1 1 0,020,22 25002700 25002700 22002700 - по всей квартире, но в дальней комнате практически отсутствует

2(111 2 дву-стор. 1 1 0,020,25 25002800 25002700 23002800 22002700 по всей квартире, но в комнате с наветрен, стороны знач-но меньше

2(111 * 2 дву-стор. 1 1 0,020,25 25002800 25002700 23002800 22002600 по всей квартире, но в комнате с наветрен, стороны значит-но меньше

Зо_13 3 одно-стор. 1 1 0,020,27 25002800 25002800 21002800 - в ближних комнатах очень мало, в дальней отсутствует

3(112 3 дву-стор. 1 1 0,020,26 25002800 25002800 22002800 22002700 очень мало, в дальней комнате с наветр. стороны почти отсутствует

3<1_22 3 дву-стор. 2 1 0,020,25 26002800 26002700 23002800 23002700 мало, в дальней комнате с наветр. стороны почти отсутствует

Зс1_11 3 дву-стор. 1 1 0,020,25 26002700 26002800 23002800 20002600 очень мало, в двух дальних комнатах почти отсутствует

3<1_21 3 дву-стор. 2 1 0,020,24 27002900 24002600 23002700 23002800 по всей квартире, но в дальней комнате с наветр. стор. значительно меньше

4<3_12 4 дву-стор. 1 1 0,020,27 25002700 26002800 22002900 21002700 мало по квартире, в дальних комнатах знач-но меньше

4<1_22 4 дву-стор. 2 1 0,020,26 27002800 25002600 24002900 23002800 по всей квартире, но в дальних комнатах (с наветр. и заветр. сторон) меньше

Рис. 5. Траектории движения воздушных потоков из окна кухни в трехкомнатной квартире 3(1_11 при различной кратности воздухообмена: а) п = 0,44: б) п = 1: в) п = 1,5

а) б) в)

Рис. 6. Поля времени пребывания воздуха в трехкомнатной квартире 3(112 в горизонтальном сечении на отметке 1,2 м от уровня пола при кратности воздухообмена п=0,44 (а), при кратности воздухообмена п =1 (б) и при кратности воздухообмена п=1,5 (в)

В квартирах с двумя вентканалами, разнесенными по разным зонам квартиры, выравнивается время смены воздуха в жилых помещениях и не зависит от площади помещения, однако, потоки воздуха из «грязных» помещений интенсивнее распространяются в жилые комнаты.

При увеличении протяженности квартиры по фасаду здания установлено,

что:

- время пребывания воздуха в застойных зонах жилых помещений не зависит от их удаления от вентканалов, а зависит только от кратности воздухообмена;

- с удалением жилой комнаты от вентканала снижается затекание в них воздушных потоков из «грязных» помещений.

Результаты исследований, приведенные в третьей главе работы, позволили установить закономерности изменения качественных характеристик воздухообмена в зависимости от объемно-планировочного решения квартиры, расположения «притока-вытяжки» и других факторов, что использовано в «Рекомендациях» в пятой главе работы.

В четвертой главе приведены результаты исследований влияния дополнительных приточно-вытяжных устройств на качественные характеристики воздухообмена.

На основе анализа нескольких десятков конструктивных решений приточных устройств была отобрана для исследования система приточно-вытяжной вентиляции с рекуперацией тепла (СПВВР). Система СПВВР может работать как на приток, так и на вытяжку; может работать в реверсивном режиме с подогревом приточного воздуха. Изделие выпускается серийно в двух модификациях: круглого поперечного сечения для условий реконструкции зданий и квадратного — для нового строительства.

Натурные исследования изделий СПВВР проведены в помещении площадью 29,3 м~с двумя окнами, не имеющем собственного вентканала. Два изделия устанавливались по верхней грани окон и работали асинхронно: одно на приток, другое на вытяжку. В результате натурных исследований установлено, что СПВВР обеспечивают дополнительный приток свежего воздуха в объеме до 70 м'/ч. Температурно-влажностный режим в помещении оставался стабильным весь период испытаний (7 суток). Начальная скорость струи на выходе из устройства составляла 0,74 м/с, а к обслуживаемой зоне помещений снижалась до нормативных пределов - 0,1 м/с. Результаты численного моделирования подтвердили данные, полученные в натурном эксперименте. На рис. 7а можно видеть быстрое снижение скоростей в приточной струе, а на рис. 76 - траектории движения воздушных потоков от приточного отверстия (слева) к вытяжному (справа), а) б)

Рис. 7. Результаты численного моделирования работы СПВВР в помещении: а — поля скоростей в горизонтальном сечении по центру изделия в конце цикла притока; б -траектории движения воздушных потоков из приточного отверстия (слева) к вытяжному (справа)

На примере двухкомнатной квартиры двусторонней ориентации 2с1_11* с использованием численного моделирования изучено влияние работы СПВВР на качественные характеристики воздухообмена. Изделия СПВВР расположены также, как и в натурном эксперименте - по верхней грани окон по 2 изделия на жилую комнату. Установлено, что при кратности воздухообмена в квартире п = 1 за счет притока через типовые окна и дополнительного притока через СПВВР, время смены воздуха в верхней части жилых помещений уменьшается на 500700 с (2300-3200 с), по сравнению с притоком такой же кратности за счет увеличения воздухопроницаемости оконных конструкций в жилых комнатах (2800-3500 с). В режиме работы СПВВР только на приток отмечено уменьшение перетекания воздушных потоков из «грязных» помещений в чистые. При реверсивном режиме работы СПВВР потоки воздуха из кухни интенсивнее распространяются по квартире.

Повышенный приток свежего воздуха в помещение, особенно в зимний период, может привести к температурному дискомфорту вблизи приточного устройства. Для установления закономерностей изменения температурного поля в приточно-вытяжной струе был проведен физический эксперимент у СПВВР, установленных в помещении (рис. 86) и в климатической камере (рис. 8в).

Рис. 9. Изотермы в продольном сечении по центру приточно-вытяжной струи при 1Н = О °С и гв11 = 27,1 °С: а) 1-я секунда притока; б) 20-я секунда притока; в) 5-я секунда вытяжки

Рис. 8. Схема расположения термопар в измерительной рамке-сетке (а) и фотофиксация измерений температуры струи в помещении (б) и в климатической камере (в)

Результаты измерений приведены на рис. 9. Можно видеть, что температура приточной струи меньше нормативной отметки в 19 °С (минимальное значение 7,7 °С). Но уже на расстоянии 10 см от приточного отверстия выравнивается с температурой в обслуживаемой зоне, что можно считать вполне приемлемым.

В целом, исследование возможности использования дополнительных приточно-вытяжных устройств для повышении притока свежего воздуха в помещения выявило их эффективность.

В пятой главе приведены рекомендации по повышению эффективности воздухообмена в жилых помещениях на стадии проектирования квартир.

Рекомендации предусматривают следующую последовательность расчетов:

1. Разрабатываются объемно-планировочные и конструктивные решения квартиры с учетом закономерностей воздушных потоков, распространяющихся по квартире, в зависимости от ориентации здания, ориентации помещений, параметров и расположения «притока-вытяжки», воздухопроницаемости

оконных конструкций, компактности или протяженности квартиры и других факторов, исследованных в работе.

2. На основе разработанного автором метода, определяется годовой ход располагаемого напора с учетом климатических факторов места строительства, аэродинамических характеристик территории застройки, ориентации здания и его этажности.

3. Определяется величина приточного воздуха в квартиру (L„pm,) и дополнительного притока (Ьдоп) до обеспечения кратности воздухообмена n = 1.

4. На основе разработанного автором метода CFD моделирования определяются качественные характеристики воздухообмена: скорости воздушных потоков, время пребывания воздуха в застойных зонах помещений, перетекание воздушных потоков из «грязных» помещений (кухня, санузел) в чистые (жилые комнаты).

5. Делается вывод об эффективности воздухообмена жилых помещений. При несоответствии полученных показателей санитарно-гигиеническим требованиям вносятся корректировки по увеличению приточного воздуха или планировки квартиры.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Впервые установлено, что эффективность естественного воздухообмена жилых помещений определяется следующим комплексом показателей качества: кратностью воздухообмена, траекториями и скоростями воздушных потоков по помещениям квартиры, продолжительностью пребывания воздуха в застойных зонах помещений, перетеканием воздушных потоков из «грязных» помещений (кухни, санузлы) в жилые комнаты.

2. Разработан метод количественной оценки показателей качества воздухообмена жилых помещений на основе CFD моделирования с использованием программных продуктов ANSYS: FLUENT и GAMBIT.

3. Впервые установлены закономерности изменения количественных показателей качественных характеристик воздухообмена от:

- увеличения кратности воздухообмена (снижается время пребывания воздуха в застойных зонах помещений, уменьшается интенсивность перетекания воздушных потоков из «грязных» помещений в жилые комнаты, сохраняется в гигиенических пределах - 0,02-0,27 м/с скорость воздушных потоков в обслуживаемой зоне помещений при изменении кратности от 0,43 до 1,5);

- объемно-планировочных решений квартир (время пребывания воздуха в жилых помещениях не зависит от их удаления от вентканала, а зависит от кратности воздухообмена; с удалением жилой комнаты от вентканала снижается интенсивность перетекания в нее воздушных потоков из «грязных» помещений; при разнесении вентканалов по разным зонам квартиры продолжительность пребывания воздуха в жилых помещениях

выравнивается и не зависит от площади помещения, но увеличивается затекание воздушных потоков из «грязных» помещений);

- от ориентации здания (перетекание воздушных потоков из «грязных» помещений в жилые комнаты снижается при их ориентации на наветренную сторону и удалении от вентканалов);

- от использования дополнительных приточно-вытяжных устройств (время смены воздуха в застойных зонах помещений снижается на 500-700 секунд при работе устройств на приток и в реверсивном режиме, снижается интенсивность перетекания воздушных потоков из «грязных» помещений в жилые комнаты при работе устройства на приток, при работе устройства в реверсивном режиме потоки из «грязных» помещений интенсивнее распространяются по квартире).

4. Обоснована необходимость определения располагаемого напора для оценки воздухообмена жилых помещений по сумме двух побудителей: теплового и ветрового напоров. Показано, что тепловой напор для первого и девятого этажей зданий различается в 10 раз, а между июлем и январем - почти в 40 раз, доля ветрового напора в суммарном располагаемом напоре составляет 5-98 %.

5. Разработаны методы определения расчетных величин температуры воздуха и скорости ветра для оценки годового хода располагаемого напора. Показано, что годовой ход теплового напора целесообразно рассчитывать по среднемесячным значениям температур воздуха, а ветровой напор - по одному значению скорости ветра, которая определена по наибольшей вероятности суммарного ветрового напора на основе произведения вероятностей скоростей ветра в году и величины ветрового напора при этих скоростях.

6. Показано, что при определении количества приточного воздуха в квартиры целесообразно использовать не одно значение располагаемого напора для всего года, как это рекомендуется в нормах проектирования естественной вентиляции, а годовой ход располагаемого напора.

7. Исследованиями установлена эффективность применения устройств СПВВР для увеличения притока свежего воздуха в помещения. Показано, что к границам обслуживаемой зоны помещений температура воздуха и скорость воздушной струи приходят в соответствие с санитарно-гигиеническими требованиями.

Основные положения диссертации отражены в следующих публикациях:

1. Сайфутдинова, A.M. Особенности естественного воздухообмена жилых помещений / A.M. Сайфутдинова, В.Н. Куприянов // ACADEMIA Архитектура и строительство. - 2009. — № 5. - С. 319-325.

2. Сайфутдинова, A.M. Информационные технологии в проектировании естественного воздухообмена жилых помещений / A.M. Сайфутдинова // Приволжский научный журнал. - 2009. - № 4. - С. 69-74.

3. Куприянов, В.Н. Статистический анализ годового хода располагаемого напора для оценки естественного воздухообмена жилых помещений / В.Н. Куприянов, A.M. Сайфутдинова // Известия КГАСУ. -2013. -№ 1 (23).-С. 109-119.

4. Сайфутдинова, A.M. Качественные характеристики воздухообмена жилых помещений и их зависимость от объемно-планировочных и конструктивных решений зданий / A.M. Сайфутдинова, В.Н. Куприянов // Известия КГАСУ. - 2014. - № 1 (27). - С. 113-118.

5. Сайфутдинова, A.M. К вопросу о воздухообмене в жилых зданиях / A.M. Сайфутдинова // Сб.статей по итогам 58 республиканской конференции КГАСУ. - 2006. - С. 141-143.

6. Куприянов, В.Н. К вопросу об оценке естественного воздухообмена в жилых зданиях / В.Н. Куприянов, A.M. Сайфутдинова // Вестник Волжского регионального отделения РААСН. - 2008. - Выпуск № 11. - С. 72-73.

7. Сайфутдинова, A.M. Инновационный подход к изучению естественного воздухообмена в жилых зданиях при подготовке инженеров-архитекторов / A.M. Сайфутдинова, В.Н. Куприянов // Сб. статей методической конференции «Методика организации образовательного процесса на специальности 270114 «Проектирование зданий», КГАСУ. - 2008. - С. 43-44.

8. Сайфутдинова, A.M. Применение расчетных комплексов FLUENT и GAMBIT для решения задач естественного воздухообмена жилых помещений /

A.M. Сайфутдинова // Наука и инновации в решении актуальных проблем города. Материалы научно-практической конференции студентов и аспирантов, Казань. - 2008. - С. 25.

9. Куприянов, В.Н. Проектирование естественного воздухообмена жилых помещений с использованием современных технологий / В.Н. Куприянов, A.M. Сайфутдинова И Top Builder. - 2008. - № 6. - С. 75-77.

10. Куприянов, В.Н. Исследование возможностей приточно-вытяжных устройств для обеспечения нормативного воздухообмена жилых помещений /

B.Н. Куприянов, A.M. Сайфутдинова, A.M. Зиганшин, И.Ш. Сафин // Вестник Волжского регионального отделения РААСН. - 2013. - Выпуск № 16. - С. 245254.

Подписано в печать 28.03.2014 г. Заказ № 121 Формат 60x84/16

Бумага офсетная № 1 Тираж 100 экз Усл.-печ.л. 1,0

Печать ризографическая Уч.-изд.л. 1,0

Отпечатано в полиграфическом секторе КГАСУ. 420043, г. Казань, ул. Зеленая, 1

казанским государственный архитектурно-строительный университет

и^ит (п

На правах рукописи

САЙФУТДИНОВА АДЕЛЯ МУСАЯФОВНА

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ЕСТЕСТВЕННОГО ВОЗДУХООБМЕНА ЖИЛЫХ ПОМЕЩЕНИЙ

05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

\

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

д.т.н., профессор, член-корр. РААСН

В.Н.Куприянов

Казань-2014

\

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ. АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ................................ 5

ГЛАВА 1. ЕСТЕСТВЕННЫЙ ВОЗДУХООБМЕН ЖИЛЫХ ПОМЕЩЕНИЙ

(ОБЗОР И АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРЫ)......................................... 10

1.1 Воздушная среда жилых помещений и ее влияние на человека........ 10

1.2 Анализ нормативных документов по проектированию естественной вентиляции квартир............................................................................. 22

1.2.1 Нормирование количественной величины воздухообмена......... 23

1.2.2 Нормирование естественной вентиляции квартир................ 27

1.3 Обзор исследований по установлению необходимой величины воздухообмена................................................................... 29

1.4 Побудители естественного воздухообмена и их нормативный учет................................................................................ 32

1.5 Оценка работы естественной вентиляции в эксплуатируемых зданиях............................................................................ 36

1.6 Анализ дополнительных приточных устройств по увеличению притока свежего воздуха....................................................... 43

1.7 Выводы по обзору и анализу литературы. Формулирование цели и задач работ......................................................................... 48

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ГОДОВОГО ХОДА РАСПОЛАГАЕМОГО НАПОРА КАК ПОБУДИТЕЛЯ ЕСТЕСТВЕННОГО ВОЗДУХООБМЕНА............................................................. 51

2.1 Годовой ход величины теплового напора. Метод определения расчетных параметров температуры наружного воздуха................ 51

2.2 Годовой ход величины ветрового напора. Метод определения расчетных параметров скорости ветра....................................... 53

2.3 Примеры расчета величины располагаемого напора и расхода приточного воздуха с учетом совместного действия теплового и ветрового напоров............................................................... 59

2.4 Выводы по главе................................................................. 70

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ КАЧЕСТВЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ВОЗДУХООБМЕНА В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ОБЪЕМНО-ПЛАНИРОВОЧНЫХ РЕШЕНИЙ КВАРТИР.............................. 71

3.1 Классификация экспериментальных моделей............................. 71

3.2 Разработка метода количественной оценки качественных характеристик воздухообмена с использованием программных комплексов FLUENT и GAMBIT.............................................. 75

3.3 Результаты расчетов воздухообмена квартир без организованного притока свежего воздуха (1-й этап)............................................ 79

3.4 Результаты расчетов воздухообмена квартир с организованным (увеличенным) притоком свежего воздуха до кратности воздухообмена n = 1 (2-й этап)................................................ 86

3.5 Сравнительный анализ результатов расчетов.............................. 92

3.6 Выводы по главе.................................................................. 94

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ

ПРИТОЧНО-ВЫТЯЖНЫХ УСТРОЙСТВ НА КАЧЕСТВЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВОЗДУХООБМЕНА ЖИЛЫХ

ПОМЕЩЕНИЙ 96

4.1 Обоснование выбора дополнительного приточно-вытяжного устройства.......................................................................... 96

4.2 Исследование работы СПВВР в помещении............................... 98

4.3 Исследование влияния работы СПВВР на качественные характеристики воздухообмена квартир.................................... 112

4.4 Исследование закономерностей изменения температурного поля в приточно-вытяжной струе у изделия СПВВР..............................116

4.5 Выводы по главе..................................................................126

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ПОВЫШЕНИЮ

ЭФФЕКТИВНОСТИ ВОЗДУХОООБМЕНА ЖИЛЫХ

ПОМЕЩЕНИЙ НА СТАДИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ КВАРТИР...... 127

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.........................................................136

СПИСОК АВТОРСКИХ ПУБЛИКАЦИЙ.................................. 138

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.......................................................140

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Дополнительные устройства по увеличению

притока свежего воздуха........................................................ 160

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Иллюстрации по результатам численного моделирования воздухообмена квартир без организованного

притока свежего воздуха (1-й этап)........................................... 164

ПРИЛОЖЕНИЕ В. Иллюстрации по результатам численного моделирования воздухообмена квартир с организованным (увеличенным) притоком свежего воздуха до кратности

воздухообмена n = 1 (2-й этап)................................................171

ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Справки о внедрении результатов исследования.. 178

ч ч

ВВЕДЕНИЕ. АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ

Актуальность работы. Воздушная среда помещений зданий является важнейшей категорией их санитарно-гигиенического благополучия. Вместе с тем по данным Всемирной организации здравоохранения треть вновь строящихся или реконструируемых зданий содержит загрязненный воздух. Растет число людей, страдающих от «синдрома больного здания» (Sick building syndrome), признаками которого являются заложенность носа, насморк, раздражение глаз, сухость кожи, головная боль, кашель и усталость.

Пребывание человека в загрязненном воздухе на 50 % увеличивает риск заболевания. По данным Оле Фангера в мире ежедневно умирает около 5 тысяч человек от плохого качества внутреннего воздуха. Ущерб от снижения производительности труда в помещениях с плохим качеством воздуха достигает в США 60 миллиардов долларов в год.

Среди всех видов зданий жилые здания занимают особое место, потому что в них человек проводит до 70 % времени. Воздушная среда жилых помещений также подвержена множественным загрязнениям: от деятельности человека, от выделений химических веществ из строительных материалов, радона, выделяющегося из земли под зданием, и т.п. в результате этих воздействий воздух жилых помещений оказывается в 4-5 раз более загрязненным, чем атмосферный воздух.

Естественная вентиляция, призванная решать задачи обеспечения жилых помещений свежим воздухом, составляет лишь часть общей проблемы воздухообмена. Естественная вентиляция рассматривает располагаемый напор, сопротивление в каналах и объемы удаляемого воздуха. В методах расчета естественной вентиляции нет привязки к объемно-планировочным решениям квартир, нет данных о траекториях и скоростях воздушных потоков, о наличии и расположении застойных зон в помещениях, не учитывается статистика воздухообмена в течение года, в связи с изменчивостью климатических факторов.

Т.е. методы естественной вентиляции оказались не в состоянии обеспечить санитарно-гигиенические качества воздушной среды жилых помещений.

В связи с изложенным, изучение закономерностей воздухообмена в жилых помещениях зданий массовой застройки в зависимости от объемно-планировочных решений квартир с учетом параметров климата является весьма актуальной задачей.

Цель работы: установление закономерностей естественного воздухообмена жилых помещений и разработка на этой основе метода оценки качества воздухообмена и рекомендаций по повышению его эффективности на стадии проектирования квартир.

Задачи исследования:

1. Исследовать закономерности изменения теплового и ветрового напоров в течение года и разработать на этой основе методы определения расчетных значений температуры и скорости ветра для оценки годового хода располагаемого напора и объемов приточного воздуха.

2. Исследовать качественные характеристики воздухообмена жилых помещений в зависимости от параметров климата и объемно-планировочных решений квартир и разработать на этой основе метод количественной оценки показателей качества воздухообмена жилых помещений.

3. Исследовать влияние дополнительных приточно-вытяжных устройств на качественные характеристики воздухообмена в жилых помещениях.

4. Разработать рекомендации по повышению эффективности воздухообмена жилых помещений на стадии проектирования квартир.

Объект исследования - жилые помещения и квартиры в жилых домах массового строительства.

Предмет исследования - качественные характеристики воздухообмена в жилых помещениях.

Методы исследования - экспериментальные (лабораторные и натурные), расчетно-аналитические и численные (с использованием пакетов прикладных программ).

Научная новизна:

впервые установлен комплекс показателей, определяющих качество воздухообмена жилых помещений: кратность воздухообмена, траектории и скорости воздушных потоков по помещениям квартиры, продолжительность пребывания воздуха в застойных зонах помещений, перетекание воздушных потоков из «грязных» помещений в жилые комнаты и показано, что включение указанного комплекса показателей в нормы проектирования естественной вентиляции повысит качество проектирования естественного воздухообмена;

разработан метод количественной оценки показателей качества воздухообмена жилых помещений на основе CFD моделирования с использованием программных продуктов ANS YS: FLUNT и GAMBIT, который позволит оценивать влияние объемно-планировочных решений квартир на качество воздухообмена;

впервые установлены закономерности изменения количественных показателей качественных характеристик воздухообмена в жилых помещениях в зависимости от величины кратности воздухообмена, от объемно-планировочных решений квартир и их ориентации, от использования дополнительных приточно-вытяжных устройств;

разработаны методы определения расчетных параметров температуры и скорости ветра для оценки годового хода располагаемого напора, которые позволят определять реальные объемы приточного воздуха. На защиту выносятся:

1. Методы определения расчетных параметров температуры и скорости ветра для оценки годового хода располагаемого напора.

2. Зависимости влияния объемно-планировочных решений квартир и условий притока-вытяжки на показатели качества воздухообмена.

3. Закономерности влияния дополнительных приточно-вытяжных устройств на качественные характеристики воздухообмена.

4. Рекомендации по повышению эффективности воздухообмена жилых помещений на стадии проектирования квартир.

Практическая значимость работы:

- разработан метод определения реальных значений располагаемого напора, в котором учтены: годовой ход теплового и ветрового напоров, аэродинамика территории застройки, ориентация здания и его этажность;

- разработаны рекомендации по повышению эффективности воздухообмена жилых помещений на стадии проектирования квартир;

- результаты исследований включены в курс лекций дисциплины «Физика среды и ограждающих конструкций», раздел «Естественный воздухообмен в помещениях» для студентов специальности «Проектирование зданий»;

- результаты выполненных исследований внедрены ООО «Группа компаний Зилант» г. Казани при использовании приточно-вытяжной системы типа СПВВР для улучшения воздухообмена в помещениях (установлено не менее 280 устройств в 230 помещениях в 70 зданиях).

Достоверность результатов, научных выводов и рекомендаций диссертационной работы обеспечивается разработкой математических моделей на основе существующих методов с использованием фундаментальных законов течения вязкой несжимаемой жидкости. Экспериментальные данные получены на основе апробированных методов и методик измерений, с использованием сертифицированного испытательного оборудования, прошедшего госповерку.

Личный вклад соискателя состоит в обосновании актуальности темы исследований, проведении всех расчетов и экспериментов, в апробации результатов работы на научных конференциях различного уровня, включая международные. Формулирование цели и задач работы, интерпретация экспериментальных данных и результатов расчетов, подготовка публикаций выполнены совместно с научным руководителем. Техническая подготовка экспериментального оборудования и обсуждение результатов экспериментов для подготовки публикации выполнены в соавторстве (с Сафиным И.Ш. и Зиганшиным A.M.).

Апробация работы: Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях: 58-Й-61-Й и 64-й-

66-й Республиканских научных конференциях по проблемам архитектуры и строительства (г. Казань, КГАСУ, 2006-2009 г.г., 2012-14 г.г.); 6-й Международной конференции пользователей АКБУЗ (г. Москва, 2008 г.); Научно-практической конференции студентов и аспирантов «Наука и инновации в решении актуальных проблем города» (г. Казань, 2008 г.); Академических чтениях «Актуальные вопросы строительной физики», НИИ Стройфизики, РААСН, МГСУ (г. Москва, 2009 г.); 7-й межрегиональной научно-практической конференции «Архитектура и инженерные системы в общественных зданиях -2013», Минздрав РТ, (г. Казань, 2013 г.); «Смарт Сити: от интеллектуальных зданий к умным городам» в рамках XIV Международного симпозиума «Энергоэффективность и энергосбережение», Министерство строительства, архитектуры и жилищно-коммунального хозяйства РТ (г. Казань, 2014 г); «Энергоэффективное будущее» Открытый диалог поколений» в рамках XIV Международного симпозиума «Энергоэффективность и энергосбережение», Министерство по делам молодежи, спорту и туризму РТ (г. Казань, 2014 г.).

Результаты исследований отмечены стипендией Мэра г. Казани (2008 г.).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 10 научных статей, в том числе 4 в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 217 наименований и приложений. Диссертация изложена на 179 страницах, включая 159 страниц машинописного текста, 58 рисунков, 45 таблиц, и 20 страниц приложений.

Автор выражает огромную благодарность за помощь на различных этапах исследования научному руководителю д.т.н., профессору Куприянову В.Н., сотрудникам кафедры «Проектирование зданий» и «Теплогазоснабжение и вентиляция» КазГАСУ.

ГЛАВА 1. ЕСТЕСТВЕННЫЙ ВОЗДУХООБМЕН ЖИЛЫХ ПОМЕЩЕНИЙ

(ОБЗОР И АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРЫ)

1.1 Воздушная среда жилых помещений и ее влияние на человека

Большую часть жизни человек проводит в зданиях и, соответственно, дышит воздухом замкнутых помещений [120]. История развития критериев по оценке качества воздушной среды помещений претерпевала множество изменений. Так, в XVIII веке, один из первых ученых в этой области Лавуазье, заявил, что основным показателем качества воздушной среды можно считать содержание углекислого газа [200]. Далее в течение XIX века возникали новые теории, где отмечалось отрицательное влияние не столько углекислого газа, сколько содержание органических выделений от человека, а концентрация углекислого газа в этом случае может являться критерием количественной оценки этих выделений. В конце XIX-го начале ХХ-го века серией экспериментов учеными было показано, что механизм восприятия ухудшения качества воздуха имел скорее физическую, нежели химическую природу. В результате этого прорыва была учтена важность таких показателей, как влажность и температура воздуха. Сочетание этих параметров являлось критериями оценки качества воздушной среды до 60-х годов ХХ-го века. Более поздние исследования качества воздушной среды помещений (исследования Оле Фангера) в основу закладывали такие параметры, как запахи и количество «биологических» загрязнений.

Стремительное развитие науки и техники привело к тому, что на сегодняшний день, помимо человека, в помещениях есть масса других источников загрязнения: современные строительные материалы, электронное оборудование, ковры мебель и даже сами системы вентиляции и кондиционирования воздуха [13]. Таким образом, качество воздушной среды помещений складывается из таких компонентов, как физические параметры среды — микроклимат и загрязняющие факторы [162]. Нормами [120, 121, 122, 138, 142, 150] определено более 50 параметров среды жилого помещения, подлежащих обязательному контролю.

Под микроклиматом понимают состояние внутренней среды помещения, которое складывается из таких показателей, как температура внутреннего воздуха, температура внутренней поверхности ограждающих конструкций, относительная влажность и подвижность воздуха [34, 39, 76, 89, 107, 173]. В таблице 1.1 приведены нормативные значения параметров микроклимата [121, 122, 158].

Таблица 1.1 — Оптимальные и допустимые нормы температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха в обслуживаемой зоне помещений жилых зданий

Пери- Наименование помещения Температура воздуха, °С Результирующая температура, °С Относительная влажность, % Скорость движения воздуха, м/с

од года оптимальная допустимая оптимальная допустимая оптимальная допустимая, не более оптимальная, не более допустимая, не более

Холодный Жилая комната То же, в районах с температурой наиболее холодной пятидневки (обеспеченностью 0,92) -31°С и ниже 20-22 21-23 18-24 (20-24) 20-24 (22-24) 19-20 20-22 17-23 (19-23) 19-23 (21-23) 45-30 45-30 60 60 0,15 0,15 0,2 0,2

Кухня Туалет 19-21 19-21 18-26 18-26 18-20 18-20 17-25 17-25 НН* НН НН НН 0,15 0,15 0,2 0,2

Ва�