При естественной вентиляции смена воздуха происходит под влиянием теплового и ветрового напора. Действие теплового и ветрового напора проявляется преимущественно одновременно.
Воздухообмен в производственных зданиях может быть организованным и неорганизованным. Организованный воздухообмен включает в себя регулирование кратности воздухообмена и скорости
движения воздуха. Санитарные нормы проектирования промышленных предприятий предусматривают устройство организованного воздухообмена во всех производственных помещениях с кубатурой на одного работающего менее 20 м3, при этом воздухообмен должен быть в количестве не менее 30 м3/час на одного работающего. В помещениях с кубатурой на одного работающего от 20 до 40 м3, воздухообмен должен быть в количестве не менее 20 м3/час на одного работающего.
Организованный воздухообмен обычно создается управляемым проветриванием или дефлекторами. Неорганизованный воздухообмен (инфильтрация) в помещениях происходит через неплотности ограждающих конструкций (окна, двери, пористость ограждающих конструкций и т. д.).
Согласно санитарным нормам, неорганизованный приток наружного воздуха для возмещения вытяжки в холодный период года допускается в объеме не более однократного воздухообмена в час.
Организованная естественная вентиляция — аэрация. В производственных помещениях аэрация осуществляется обычно через световые фонари, окна или через специальные шахты или проемы. Кратность воздухообмена, а также направление воздушного потока при аэрации можно регулировать величиной открытия проемов в соответствии с тепловым и ветровым напорами.
Причиной движения воздуха в помещении является разность весов столбов наружного и внутреннего воздуха (располагаемый напор). Этот напор расходуется на преодоление сопротивления движению воздуха внутри здания.
Равенство давлений воздуха снаружи и внутри производственного помещения имеет место лишь в некоторой горизонтальной плоскости, между полом и потолком. Эта плоскость называется зоной равных давлений (рис. 7).
Обозначим через ∆ P1 вес столба воздуха высотою Н1 — от центра нижних отверстий до плоскости равных давлений. Очевидно, разность давлений на уровне центра нижних отверстий будет
∆ P1 = H1γн - H1γв = H1 (γн - γв) кг/м2
Рис. 7. Схема распределения давлений.
1 — вытяжка; 2 — приток.
Аналогично разность давлений на уровне центра верхних отверстий
∆ P2 = H2 (γн - γ) кг/м2.
При этом давление в помещении выше наружного.
Общая величина всего располагаемого напора будет
∆ P = ∆ P1 +∆ P2 = H1 (γн - γв) + H2 (γн - γв).
но так как
H1 + H2 = H, то ∆ P = H (γн - γ) кг/м2.
На основании приведенной формулы можно заключить, что для создания большего теплового напора необходимо увеличивать расстояние между приточными и вытяжными отверстиями, что достигается в большинстве случаев устройством фонарей.
Рис. 8. Схема аэрации многопролетного цеха: а) активизированный профиль; б), в) аэрационная вышка.
Большое значение имеет правильное размещение приточных отверстий. Рекомендуется в теплые периоды года обеспечить приток свежего воздуха в нижнюю зону помещения с таким расчетом, чтобы свежий воздух поступал на рабочие места (рис. 8).
В холодное время, во избежание простудных заболеваний, рекомендуется обеспечить приток воздуха на высоте 4—6 м от пола; при этом наружный воздух, доходя до рабочих мест.
Действие ветра. При наличии ветра на наветренных сторонах здания возникают избыточные давления, а над кровлей (с углом подъема более 45°) и на подветренной стороне возникает разрежение (рис. 10).
Рис. 10. Схема обтекания здания ветром.
Разность давлений делает возможным вход воздуха через все открытые проемы наветренной стороны и выход через отверстия и проемы подветренной стороны.
Величину наибольшего давления, которое создается потоком воздуха при внезапном его торможении, можно определить по формуле
Pд = υ2 * γн - 2g кг/м2,
где Рд— динамическое (скоростное) давление в кг/м2;
υ — скорость ветра в м/сек;
γн — удельный вес атмосферного воздуха в кг/м3;
g — ускорение земного притяжения в м/сек2.
Как показывают исследования, повышение давления на наветренной стороне здания обычно лежит в пределах от 0,75 Рд до 0,85 Рд .
Величина разрежения на подветренной стороне здания лежит и пределах от 0,40 Рд до 0,45 Рд.
Разность давлений с наветренной и подветренной стороны знания превышает скоростное давление ветра на 15—30%.
Профиль фонаря оказывает серьезное влияние на эффективность действия аэрации. Получивший в свое время широкое распространение М-образный профиль фонаря не дает возможности использовать разрежение у кромки срыва потока и часть отработанного воздуха возвращается обратно в рабочую зону. Следовательно, эффективность аэрации зависит также и от проветривания межфонарного пространства.
Эти недостатки устранены в фонаре системы В. В. Батурииа-Бранта (рис. 11), в котором вследствие расположения фрамуг в непосредственной близости к зоне повышенного давления разрежение в районе фрамуг значительно лучше, чем в М-образном профиле; кроме того, межфонарное пространство загрязняется в значительно меньшей степени.
Основным способом регулирования служит изменение площади открытия приточных отверстий. Величина воздухообмена регулируется количеством и степенью открытия приточных фрамуг.
Общая площадь открытых фрамуг определяется по объему воздуха, который должен поступать в помещение и удаляться от него.
Объем воздуха, проходящего через отверстие, снабженное створным переплетом, можно определить по формуле
Lnp = Fμυ * 3600 м3/час,
где F — площадь проема в м;
υ — расчетная скорость в м/сек;
μ – коэффициент расхода; для открытых проемов или при створных переплетах, открытых на угол 90°, μ = 0,65, на 4-5° — μ = 0,44 и на 30° — μ = 0,32.
Предложены различные конструкции азрационных фонарей. Экспериментальная проверка их эффективности производилась в Центральном научно-исследовательском институте промышленных сооружений (см. работу
Рис. 11. Разновидности аэрационных фонарей.
Скорость движения воздуха в проеме можно определить по формуле
υ = √ 2g * ∆P / γ м/час,
где ∆P – разность давлений в кг/м2;
γ —удельный вес воздуха в кг/м3;
g— ускорение земного притяжения; g = 9,81 м/сек2.
Для быстрого и легкого открытия и закрытия створок, особенно когда они больших размеров или их большое количество, рекомендуется устраивать специальные механические приводы для открывания створок. Механические приводы необходимо снабжать автоматическими остановами для удержания створных переплетов в любом положении.
При отсутствии фонарей, а также для местных отсосов и с целью использования ветра для вытяжки или усиления тепловой тяги, на вытяжные трубы ставятся дефлекторы.
На рис. 12 изображен звездообразный дефлектор. Он представляет собою вертикальную коробку с боковыми стенками, образующими звезду с нечетным числом узких вертикальных щелей (обычно 7). Этот дефлектор при безветрии ухудшает естественную тягу в трубе, а при сильном ветре через щели его может заноситься дождь или снег. Круглый дефлектор ЦАГИ (рис. 13) не имеет этих недостатков и из многочисленных конструкций дефлекторов является лучшим по аэродинамическим показателям и наиболее простым в изготовлении. Этот дефлектор представляет собою цилиндрическую обечайку, укрепленную над вытяжной трубой, уширенной вверху. Тяга в трубе создается разрежением, образующимся при обтекании обечайки ветром.
Преимущества и недостатки естественной вентиляции. Основными преимуществами естественной вентиляции являются:
1) Отсутствие расхода электроэнергии па перемещение воздуха.
2) Небольшая стоимость устройства и эксплуатации.
3) Простота устройства и эксплуатации.
4) Отсутствие затрат тепла на подогрев воздуха, так как поступающий воздух подогревается за счет избытков тепла в помещении.
Рис. 12 Звездообразный дефлектор.
Наряду с преимуществами, естественная вентиляция имеет и серьезные недостатки, главными из которых являются:
1) При наличии небольших избытков тепла в помещении и отсутствии возможностей подогрева воздуха температура воздуха в рабочей зоне в зимнее время может сильно понизиться, что может вызвать простудные заболевания.
2) Влажность воздуха устанавливается в рабочем помещении в зависимости от состояния наружного воздуха.
3) Ограничиваются возможности очистки удаляемого воздуха от пыли.
4) Отсутствует возможность распределения приточного воздуха на определенные рабочие места.
Перечисленные недостатки естественной вентиляции вызывают необходимость устройства в производственных предприятиях механической вентиляции.