Повітряний режим приміщень при періодичній вентиляції

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Харківських державний технічний університет будівництва та Архітектури

Спеціальність 05.23.03 - вентиляція, освітлення та теплогазопостачання

УДК 697.95

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

поВітряний режим приміщень при періодичній вентиляції

Макаренко Олександр Володимирович

Харків 2011

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Полтавському національному технічному університеті імені Юрія Кондратюка Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Строй Анатолій Федорович, Полтавський національний технічний університет імені Юрія Кондратюка, завідувач кафедри «Теплогазопостачання і вентиляція».

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Зайцев Олег Миколайович, Національна академія природоохоронного та курортного будівництва, м. Сімферополь , завідувач кафедри «Теплогазопостачання та вентиляції»;

кандидат технічних наук, доцент Возняк Орест Тарасович, Національний університет «Львівська Політехніка», завідувач кафедри «Теплогазопостачання та вентиляції».

Захист відбудеться «15» червня 2011р. об 11 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.056.03 Харківського держаного технічного університету будівництва та архітектури за адресою: 61002, м. Харків, вул. Сумська, 40.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Харківського держаного технічного університету будівництва та архітектури за адресою:

61002, м. Харків, вул. Сумська, 40.

Автореферат розісланий «11» травня 2011 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, к.т.н., доцент О.В. Гвоздецький

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

повітряний вентиляція шкідливий

Актуальність теми. Вдосконалення систем вентиляції і покращення якості повітря в приміщеннях є актуальною проблемою для багатьох громадських та житлових будівель. З одного боку, у зв'язку підвищенням вимог до економії енергоресурсів, бажано скоротити повітрообмін у приміщенні. З іншого це призведе до погіршення якості внутрішнього повітря приміщень. Таке протиріччя потребує додаткових досліджень систем вентиляції. При перебуванні людей у приміщенні що не достатньо вентилюється, в повітрі підвищується концентрація вуглекислого газу і знижується вміст кисню. При диханні людини, а також з поверхні її шкіри, виділяються органічні речовини та водяні пари. Людина може видихати небезпечні хвороботворні мікроби. В результаті цього повітря у приміщенні, що не достатньо вентилюється, може мати неприємний запах. При перебуванні людини в такому приміщенні погіршується її фізичний стан, збільшується вірогідність захворювань тощо.

Останні дослідження присвячені якості повітря в приміщенні, свідчать про те, що в результаті недостатньої вентиляції житлових приміщень з'явились так звані «хворі будинки» в яких до 70 відсотків мешканців мають проблеми зі здоров'ям органів дихання, запаленням слизових оболонок, поганим самопочуттям тощо.

У газифікованих приміщеннях джерелом шкідливих речовин є також побутові газові прилади: газові плити, газові водонагрівачі, опалювальні котли. При погіршеній роботі вентиляції концентрації шкідливих речовин, що надходять в приміщення при роботі цих приладів (монооксид вуглецю, вуглекислий газ, водяні пари) зростають не лише безпосередньо у приміщенні де їх встановлено, а і у суміжних з ними. До того ж значна кількість повітря, точніше кисню в повітрі, необхідна для забезпечення спалювання газу, в тому випадку, коли для роботи газового обладнання повітря надходить безпосередньо з приміщення.

Актуальність проблеми покращення якості повітря і ефективної роботи системи вентиляції у наш час підвищується у зв'язку з використанням великої кількості сучасних будівельних матеріалів що є джерелом шкідливих речовин. Так наприклад, полімерні матеріали та деревостружкові плити є джерелом надходження у приміщення формальдегідів та фенолів. Кам'янисті матеріали що виготовляються з використанням відходів різноманітних виробництв можуть бути джерелом як різноманітних хімічних забрудників так і радіоактивного випромінювання.

В той же час, слід відмітити що для вирішення проблеми покращення якості повітря в приміщеннях необхідні додаткові дослідження. При досить великій кількості робіт присвячених дослідженню систем вентиляції будівель, у більшості з них приймається цілий ряд срощуючих передумов (зокрема не враховуються внутрішні гідравлічні зв'язки та опори перетоків повітря у приміщенні, або приймаються надходження шкідливих речовин, як постійна величина, що не залежить від часу, а також постійний повітрообмін та ін.). Ці спрощуючі передумови призводять до того, що реальна картина циркуляції та стану повітря у приміщеннях відрізняється від картини одержаної в результаті використання існуючих математичних моделей.

Таким чином дослідження у напрямку визначення закономірностей зміни стану внутрішнього повітря, покращення його якості та характеру повітрообміну є актуальними і потребують подальшого розвитку.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана згідно з Комплексною державною Програмою енергозбереження України, прийнятою Постановою Кабінету Міністрів України від 5 лютого 1997 р. № 148, з програмою енергозбереження в житлово-комунальному господарстві, “Концепції пріоритетних напрямків науки і техніки”, прийнятою Постановою Кабінету Міністрів України від 27 червня 2000 р. № 1040, а також з комплексною програмою «Енергетична стратегія України на період до 2030 року», затвердженої Кабінетом Міністрів України від 15 березня 2006 р. № 145-р.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи - розробка математичних моделей та методики розрахунку для оцінки та покращення якості повітря в приміщенні при періодичній вентиляції.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

· покращення методів розрахунку, повітряного режиму при стаціонарних (усталених) процесах повітрообміну в приміщенні;

· дослідження теплового режиму приміщення при періодичній вентиляції;

· розробка і аналіз математичної моделі зміни концентрації шкідливих речовин при перехідному процесі для випадку коли виділення шкідливих речовин змінюються в часі;

· створення методики розрахунку теплоповітряного режиму приміщень при періодичній вентиляції;

· розробка рекомендацій для покращення якості повітря і зменшення витрат тепла та електричної енергії системами вентиляції громадських та житлових приміщень.

Об'єкт дослідження - перехідні процеси в зміни стану внутрішнього повітря в приміщеннях житлових та громадських будівель.

Предмет дослідження - процеси зміни стану внутрішнього повітря в приміщеннях при періодичній вентиляції.

Методи дослідження - для опису процесу зміни стану внутрішнього повітря використані фізичний аналіз та математичне моделювання процесів. Для оцінки адекватності запропонованих в роботі математичних моделей проведені експериментальні дослідження.

Наукова новизна отриманих результатів:

· розроблена математична модель зміни концентрації шкідливих речовин, яка дає можливість визначити концентрацію шкідливих речовин у об'ємі приміщення в будь-який момент часу для випадку коли надходження шкідливих речовин змінюється у часі;

· розроблена методика розрахунку повітряного режиму будівлі, що враховує повітропроникність зовнішніх та внутрішніх конструкцій;

· одержане рівняння, для визначення температури повітря в приміщенні і його огороджувальних конструкціях при нестаціонарних процесах з урахуванням повітропроникності огороджувальних конструкцій.

Практичне значення та реалізація результатів досліджень. Результати досліджень можна використовувати для визначення чи прогнозування якості повітря у приміщеннях, а також для розрахунку необхідного повітрообміну і теплового режиму при забезпеченні необхідних санітарних умов. При розрахунку повітрообмінів для системи вентиляції приміщення з урахуванням зміни концентрації шкідливої речовини протягом певного проміжку часу, можна суттєво зменшити типорозміри обладнання вентиляційних систем і систем опалення, що призведе до скорочення капітальних та експлуатаційних витрат.

Як приклад, результати досліджень використані для аналізу теплового та повітряного режиму спортивного залу в спортивному комплексі Полтавського національного технічного університету імені Юрія Кондратюка, при розробці проекту реконструкції системи опалення та вентиляції. Вони дали можливість одержати економічний ефект в розмірі 35 тис. грн.

Особистий внесок здобувача. Наведені у дисертаційній роботі результати досліджень отримані здобувачем самостійно. У наукових працях автора, що опубліковані у співавторстві, здобувачу належать: розробка математичної моделі розрахунку повітряного режиму будівлі з урахуванням внутрішніх гідравлічних зв'язків; створення методики та алгоритму розрахунку періодичної вентиляції приміщень; одержане аналітичне рішення рівняння нестаціонарної теплопровідності стінки при фільтрації повітря; обробка результатів експериментальних досліджень зміни стану повітря приміщення при його експлуатації та співставлення з результатами теоретичних досліджень.

Апробація роботи. Результати досліджень одержали позитивну оцінку на науково-технічних конференціях професорсько-викладацього складу, співробітників та студентів Полтавського національного технічного університету у 2006-2010 роках, а також на науковому семінарі в Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури у 2010 році.

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи підготовано і опубліковано 6 наукових праць у збірниках, що входять до переліку ВАК.

Обсяг та структура роботи. Дисертаційна робота містить вступ, п'ять розділів, загальні висновки, список літератури із 105 найменувань на 10 сторінках, додатки. Загальний обсяг роботи - 121 сторінка основного тексту, 37 рисунків, 8 таблиць.

Основний зміст роботи

У вступі висвітлено актуальність роботи та її зв'язок з науковими програмами, сформульовано мету досліджень та задачі, які необхідно вирішити для її досягнення. Визначено об'єкт, предмет та методи досліджень, сформульовано наукову новизну та практичне значення одержаних в роботі результатів досліджень, виділено особистий внесок автора роботи, наведено відомості щодо апробації досліджень та публікацій.

У першому розділі виділено основні чинники формування мікроклімату приміщень в цілому та чинники, що впливають на якість повітряного середовища приміщень. Виділені основні забрудники повітря. У першому наближенні для оцінки якості внутрішнього повітря обрана концентрація вуглекислого газу.

Запропонована додаткова ознака для класифікації систем вентиляції - періодичність їх дії. З урахуванням неї системи доцільно поділити на ті, що працюють постійно і періодично (або для різних проміжків часу значення повітрообмінів відрізняються). Основна відмінність періодично діючої системи полягає у тому, що весь проміжок часу роботи системи буде складатися з перехідних процесів зміни стану внутрішнього повітря (концентрації, вологовмісту, температури).

Розглянуті існуючі нормативи для визначення необхідного повітрообміну приміщень, а також існуючі методики розрахунку процесів повітрообміну у житлових та громадських будинках. Вказані їх основні недоліки.

Розглянуті основні існуючі залежності, що характеризують перехідні процеси при вентилюванні приміщень. Вивченням перехідних процесів зміни стану повітря і температури у приміщеннях займалися вчені: Е.Х. Ленц, В.В. Батурин, А.М. Сілевестров, В.М. Ельтерман, А.Ф. Строй, Е.Я. Соколов, В.М. Богословський, Ю.В. Кононович, Е.З. Піотровский, П.М. Блюсен, Т. Годіш, Л. Тіан, Б.А. Кім, М. Телейко та ін.

На основі аналізу літератури сформульовано мету та задачі досліджень.

Другий розділ присвячений покращенню методики розрахунку повітряного режиму приміщень при усталеному процесі, що враховує як повітропроникність зовнішніх огороджувальних конструкцій так і внутрішні гідравлічні зв'язки і роботу системи вентиляції.

Для розробки методики розрахунку повітряного режиму, розглянутий характер епюри різниці зовнішнього та внутрішнього тисків на зовнішню огорожу, що є чинником фільтрації повітря крізь конструкцію (рис. 1). За «нуль відліку» прийнятий зовнішній тиск на рівні виходу повітря з найвищої вентиляційної шахти. Різниця тиску на рівні середини огороджувальної конструкції, ДР_С, Па:

, (1)

де H= 0,5h+h_K, м; h - висота приміщення, м; h_К - висота витяжної шахти, від рівня стелі приміщення, що розглядається, до виходу повітря з витяжної вентиляційної шахти («нуля відліку»), м; Р_В - внутрішній тиск у приміщенні приведений до відмітки «нуля відліку», Па.

На основі аналізу епюри, зроблено висновок про те, що для огороджувальних конструкцій більшості приміщень обладнаних гравітаційною вентиляцією характерна лише інфільтрація повітря. Визначена умова, при виконанні якої відсутня ексфільтрація повітря крізь огороджувальну конструкцію

, (2)

де S_ПР - гідравлічна характеристика огороджувальної конструкції, S_ВИТ - гідравлічна характеристика витяжного вентиляційного каналу.

Рис. 1. Епюра різниці зовнішнього та внутрішнього тиску для приміщення з витяжним каналом.

При стаціонарному процесі вентилювання приміщення виконується матеріальний баланс - кількість повітря що входить у приміщення, дорівнює кількості повітря, що виходить з нього. На основі цього можна записати

, (3)

де G_ВІК - різниця між кількістю повітря, що ввійшло у приміщення і вийшло з нього через вікна (у випадку якщо нейтральна площина проходить на рівні вікна то через неї одночасно спостерігається і інфільтрації, і ексфільтрація, якщо ж нейтральна площина буде розташована вище рівня вікна то через нього повітря буде лише надходити в приміщення); G_К - кількість повітря, що вийшло з приміщення через витяжний вентиляційний канал; G_Д - різниця між кількістю повітря, що надходить у приміщення і виходить з нього через двері які виходять на сходову клітку.

У загальному випадку кількість доданків у рівнянні (3) буде дорівнювати кількості повітряних потоків, що входять і виходять із приміщення. Якщо приміщення має гідравлічні зв'язки з іншими приміщеннями, то для вирішення рівняння (3) необхідно записати систему рівнянь (4). Кількість рівнянь у системі буде рівна кількості гідравлічно пов'язаних приміщень.

(4)

Якщо замість витрат повітря у систему рівнянь підставити їх значення виражені через різницю тисків та гідравлічну характеристику елемента то одержимо систему рівнянь з кількістю невідомих, що дорівнює кількості приміщень. Невідомими параметрами у даній системі будуть значення тиску в кожному приміщенні. Розв'язок такої системи дає можливість визначити тиск в кожному приміщенні.

Для визначення ступеню адекватності запропонованої методики розрахунку було проведене співставлення результатів розрахунків з існуючою методикою Н.Н. Разумова та І.С. Шаповалова. Розходження результатів не перевищило 2%, що можна пояснити неточністю графічних побудов. До переваг запропонованої методики можна віднести простоту її використання у порівнянні з графоаналітичною методикою, та можливість врахування того фактору, що температура у різних приміщеннях будівлі може відрізнятися.

Третій розділ присвячений математичному моделюванню перехідних процесів зміни стану внутрішнього повітря.

При проектуванні систем вентиляції в інженерній практиці, повітрообмін розраховують на основі рівнянь, що характеризують стаціонарний процес. При цьому продуктивність установки приймається згідно максимального з розрахованих значень і, здебільшого, постійною протягом усього часу її роботи, а також протягом певного періоду року. У той же час, для багатьох приміщень характерним є нерівномірність надходження шкідливих речовин (кіноконцертні зали, навчальні аудиторії, актові зали тощо). Для таких приміщень крім періодичного режиму роботи можливе також неповне заповнення людьми. У такому випадку, доцільно застосовувати періодично працюючу систему вентиляції з датчиками забруднення (загазованості, вологості, температури). При періодично працюючій вентиляції основними є перехідні процеси. В той же час не з'ясованим питанням для цього випадку є визначення необхідного повітрообміну. Концентрація шкідливих речовин змінюється в часі і залежить від кількості речовин які потрапляють у приміщення, об'єму приміщення, початкової концентрації забрудника в приміщенні, повітрообміну та деяких інших факторів. На рис. 2 зображена зміна концентрації вуглекислого газу в окремих кімнатах квартири протягом кількох діб.

Як видно з графіка, концентрація вуглекислого газу не є сталою величиною. Це пов'язано у першу чергу з тим що надходження шкідливої речовини у об'єм приміщення відбуваються не постійно. При перебуванні людей у приміщенні концентрація зростає, при відсутності людей, а також за рахунок роботи системи вентиляції концентрація знижується.

Рис. 2. Зміна концентрації вуглекислого газу у приміщеннях квартири.

Більшість науковців, що досліджували системи вентиляції стверджують, що перехідні процеси мають місце не значний проміжок часу у інтервалі роботи систем вентиляції, порівняно з усталеними процесами. У наш час нестаціонарність роботи вентиляції, тобто перехідні процеси, здебільшого враховують лише при проектуванні систем аварійної вентиляції. Насправді ж, як можна побачити з рис. 2, та аналізуючи режими експлуатації багатьох приміщень, можна стверджувати про нестаціонарність стану внутрішнього повітря. Отже, перехідні процеси відіграють суттєву роль, а особливо при періодично працюючій вентиляції приміщення.

При постійно працюючій вентиляції, дійсно, перехідний процес в деяких випадках може відігравати не суттєву роль для підтримання необхідної якості повітря. При періодичній вентиляції, весь період вентилювання приміщення складається з перехідних процесів. Графік зміни концентрації шкідливої речовини у повітрі приміщення при постійній і періодичній вентиляції приведений на рис. 3а та 3б відповідно. Аналогічно змінюється вологовміст повітря при надходженні водяної пари в приміщення та температура.

Якщо прийняти що у початковий момент концентрація шкідливої речовини дорівнює К_П, то при постійно працюючій вентиляції, концентрація поступово починає зростати. З часом концентрація шкідливих речовин буде наближатися до свого максимального значення (К_ПДК), після чого залишатиметься практично на сталому рівні. Як бачимо, досить значний проміжок часу система витяжної вентиляції буде видаляти повітря з приміщення з низькою концентрацією шкідливої речовини. Це збільшує експлуатаційні витрати, зокрема витрати електричної енергії на роботу механічної системи вентиляції і кількість теплової енергії необхідної для нагрівання повітря. При більш глибокому вивченні перехідних процесів ці витрати можна зменшити.

Розглянемо зміну концентрації шкідливої речовини при періодично працюючій системі вентиляції. На початку, коли система вентиляції не працює (період «а») концентрація шкідливої речовини, вологості або температура буде зростати до значення К_ПДК. При досягненні цього значення систему вентиляції необхідно ввімкнути з метою щоб провітрити приміщення тобто знизити концентрацію. За деякий проміжок часу (період «б») концентрація знизиться до початкового її значення, після чого систему вентиляції можна знову вимкнути. Концентрація знову почне зростати і цикл повторюється. В цьому випадку перехідні процеси займають весь період вентилювання приміщення.

1 - лінія, що характеризує зміну концентрації шкідливої речовини при відсутності надходження повітря в приміщення, або при незначному надходженні, 2 - лінія зміни концентрації шкідливих речовин при інтенсивній вентиляції приміщення, a - період відсутності вентиляції, b - період інтенсивного вентилювання приміщення.

Рис. 3. Графік зміни концентрації шкідливої речовини у приміщення при постійній (а) та періодичній (б) вентиляції.

Проаналізуємо перехідний процес з метою одержання рівняння, що описує зміну концентрації шкідливої речовини у повітрі приміщення, в якому працює загальнообмінна вентиляція (рис. 4). Розглянемо баланс шкідливої речовини у об'ємі приміщення в будь-який момент часу:

, (5)

Ліва частина рівняння (5) характеризує кількість шкідливої речовини, що надійшла в приміщення та видалена з нього, а права - зміну концентрації речовини в приміщенні:

де L - кількість повітря, що надходить в приміщення і відводиться з нього, тобто повітрообмін у приміщенні, м³/год;

А - кількість шкідливої речовини, що надходить у приміщення, мг/год;

К_З, К - концентрація шкідливої речовини відповідно у зовнішньому та внутрішньому повітрі, мг/м³;

V - об'єм приміщення, м³;

dz - елементарний проміжок часу, год;

dK - зміна концентрації шкідливої речовини у приміщенні за проміжок часу dz, г/м³.

1 - кватирка, 2 - джерело шкідливої речовини, 3 - вентиляційна гратка та канал.

Рис. 4. Схема приміщення.

При записі рівняння (5) введена спрощуюча передумова, що концентрація шкідливості у об'ємі приміщення, точніше в різних точках приміщення однакова.

В лівій частині рівняння (5) перший і третій доданок характеризують відповідно кількість шкідливої речовини яка надходить в приміщення разом з повітрям і відводиться із приміщення за проміжок часу dz. Другий доданок - кількість шкідливої речовини яка надходить в приміщення. Права частина рівняння, як уже згадувалось, характеризує зміну концентрації шкідливої речовини в приміщенні. Рівняння (5) є диференційним рівнянням, в якому невідомою величиною є функція концентрації внутрішнього повітря від часу. Для визначення цієї функції необхідно проінтегрувати рівняння (5). Припустимо, що у початковий момент часу z = 0, концентрація шкідливої речовини у повітрі приміщення дорівнює К_П. Рівняння (5) представляє собою диференційне рівняння зі змінними, що розділяються. Розділивши змінні та проінтегрувавши його, маємо

. (6)

Після інтегрування та підстановки меж інтегрування отримаємо рівняння

(7)

Задавшись величиною повітрообміну і скориставшись рівнянням (7) можна визначити як буде змінюватися концентрація шкідливої речовини у повітрі приміщення протягом заданого проміжку часу. За допомогою отриманої залежності також можна більш точно визначити необхідний повітрообмін з врахуванням нестаціонарного процесу зміни концентрації шкідливої речовини в приміщенні. У деяких випадках повітрообмін може бути зменшений, що в свою чергу призведе до скорочення експлуатаційних та капітальних витрат.

У більшості існуючих випадків шкідливі гази, волога та інші забруднення надходять в приміщення періодично, тобто в період перебування людей або в результаті проходження технологічного процесу, який змінюється в часі. Попереднє рівняння зміни концентрації шкідливої речовини, тобто рівняння (7), як вже відзначалось, отримане для випадку коли надходження шкідливої речовини є постійною величиною А = const. Насправді, інтенсивність надходження шкідливості у об'єм приміщення, як правило, залежить від багатьох факторів і не завжди є постійною величиною.

Розглянемо випадок коли диференційне рівняння (5) описує характер змін концентрації шкідливої речовини при надходженні її в залежності від часу, тобто . Перш за все розглянемо випадок коли функція, що характеризує надходження шкідливої речовини, є лінійною, тобто A=a•z+b, де а - постійний параметр, що характеризує зміну надходжень в часі; z - час. В подальшому будь-яку нелінійну функцію на певному інтервалі можна замінити лінійною функцією виду A=a•z+b. Таким чином можна стверджувати, що випадок з лінійною функцією є найбільш загальним випадком.

Підставимо значення А в диференційне рівняння (5), одержимо

, (8)

Рішення рівняння (8) одержано у вигляді

.(9)

Рівняння (9) дає можливість визначити концентрацію шкідливої речовини в приміщенні в будь-який момент часу z, для випадку коли надходження шкідливої речовини в приміщення характеризуються лінійною функцією (наприклад, при зміні температури під час експлуатації приміщення одночасно будуть змінюватись надходження явної теплоти, вологи, шкідливих речовин від людей та матеріалів). За допомогою цього рівняння можна також визначити проміжок часу протягом якого концентрація в приміщенні досягне граничнодопустимої концентрації при різних заданих значеннях повітрообміну в приміщенні.

Четвертий розділ присвячений аналізу впливу періодичної вентиляції на тепловий режим приміщення.

В багатьох громадських будинках і житлових будинках досить часто передбачають періодичну вентиляцію, тобто зменшують концентрацію шкідливих речовин в приміщенні за рахунок провітрювання. При цьому відкривають кватирку в вікні, частину вікна, а можливо і двері. Як вже відзначалось, провітрювання приміщення в холодний період року призводить до його охолодження. Після провітрювання приміщення нагрівається. Така вентиляція приміщень набула досить широкого розповсюдження. Опираючись на залежності отримані у третьому розділі можна визначити час протягом якого потрібно провітрювати приміщення. Потім треба, з гігієнічної точки зору, визначити до якої температури можна охолоджувати приміщення. Зміна температури в приміщенні відбувається за рахунок нестаціонарних процесів теплообміну. При періодичній вентиляції приміщення, фактор повітрообміну, відіграє суттєву роль в процесах охолодження і нагрівання приміщення. Але як уже відмічалось, в існуючих роботах присвячених охолодженню та нагріванню приміщень цей фактор не враховується на належному рівні.

1 - кватирка в вікні; 2 - опалювальний прилад; 3 - гратка в витяжному вентиляційному каналі; 4 - теплоакумулююча маса стін і перекриття.

Рис. 5. Схема приміщення.

З метою одержання рівняння, яке буде характеризувати процес охолодження і нагрівання приміщення при періодичній вентиляції, з врахуванням повітрообміну, розглянемо приміщення, розташоване наприклад на середньому поверсі (рис. 5). Будемо вважати, що в початковий період процес теплообміну в приміщенні стаціонарний. Кватирка в вікні і ґратка вентиляційного каналу закриті, тобто вентиляція приміщення відсутня. Тепловтрати приміщення дорівнюють теплонадходженням.

Якщо відкрити кватирку в вікні і ґратку у вентиляційному каналі, то приміщення буде провітрюватись і одночасно охолоджуватись. Середня температура повітря в приміщенні буде знижуватись. Для визначення середньої температури в приміщенні, записане диференційне рівняння яке буде характеризувати процес охолодження або нагрівання приміщення. Це рівняння має наступний вигляд

(10)

де Q₀ - тепловий потік, що надходить в приміщення від системи опалення, Вт;

К_і - коефіцієнт теплопередачі для і-ої огороджувальної конструкції, Вт/(м²•°С);

F_і - площа і-ої огороджувальної конструкції, м²;

t_B - температура повітря в приміщенні, t_B = f(z), °С;

t_З - температура зовнішнього повітря, t_З = const, °С;

n - кількість огороджувальних конструкцій через які втрачається тепло.

с - теплоємність повітря, с = 1,005 кДж/(кг•°С);

G - масова витрата зовнішнього повітря, що потрапляє у приміщення через кватирку або відводиться із приміщення через гратку вентиляційного каналу, кг/с.

t_З - температура зовнішнього повітря, °С;

dz - елементарний проміжок часу, с;

Q_явн - явний тепловий потік який надходить в приміщення внаслідок технологічного процесу або від людей чи побутового обладнання, Вт;

с_і^ст, m_і^ст - відповідно теплоємність, кДж/(кг•°С), і маса, кг, матеріалу і-го конструктивного шару зовнішньої стіни;

t_і^cт - середня температура і-го конструктивного шару зовнішньої стіни, °С;

m - кількість конструктивних шарів в зовнішній стіні;

с_і^пер, m_і^пер - відповідно теплоємність, кДж/(кг•°С) і маса, кг, матеріалу з якого виконані внутрішні стіни або перекриття в приміщенні, а також теплоємність і маса меблів і обладнання які знаходяться в приміщенні;

t_і^пер - середня температура внутрішніх стін, меблів і обладнання в приміщенні, °С;

k - загальна кількість внутрішніх стін, груп меблів і обладнання приміщення.

Щоб визначити функцію зміни внутрішньої температури , необхідно проінтегрувати диференційне рівняння (10). Але рівняння (10) крім функції зміни внутрішньої температури має ще ряд невідомих параметрів, тому щоб вирішити диференційне рівняння (10) введено наступні спрощуючі передумови.

· Середня температура внутрішніх стін або перекриттів, а також меблів і обладнання в будь-який момент часу дорівнює середній температурі повітря в приміщенні, тобто , тоді

.(11)

Введення такої спрощуючої передумови можна обґрунтувати тим, що приміщення охолоджується або нагрівається як одне ціле.

· Багатошарову зовнішню стінку замінюємо одношаровою з рівною теплоакумулюючою здатністю

(12)

і приймемо що швидкість зміни середньої температури окремих шарів дорівнює швидкості зміни середньої температури одношарової еквівалентної стінки (стінка охолоджується або нагрівається як одне ціле)

,(13)

де t_ст - середня температура еквівалентної одношарової зовнішньої стінки, яку можна визначити за допомогою виразу

,(14)

На основі рівняння (14) маємо, що

.(15)

З врахуванням виразів (11), (12), (13) і (15) диференційне рівняння (10) можна переписати у вигляді

(16)

Рівняння (16) містить невідому функцію , яку можна визначити в результаті інтегрування цього рівняння.

В результаті рішення рівняння (16) отримана залежність, що характеризує зміну температури у приміщенні внаслідок його провітрювання

, (17)

де параметр, що характеризує теплоємність приміщення яке охолоджується або нагрівається;

характеризує тепловтрати приміщення і витрати тепла на нагрівання повітря при провітрюванні приміщення.

При введенні спрощуючої передумови (13) прийнято, що температура всієї конструкції зовнішньої стінки змінюється рівномірно і середня температура стінки визначається як середня температура зовнішнього та внутрішнього повітря (14). Насправді ж, температура стінки при її охолодженні змінюється не рівномірно. До того розподіл температури у товщі конструкції може змінюватися внаслідок фільтрації повітря крізь огороджувальні конструкції, що при добре ущільнених вікнах може проявлятися досить суттєво.

З метою одержання аналітичного рішення рівняння нестаціонарної теплопровідності при фільтрації повітря, розглянемо модель приміщення наведену на рис. 6.

t_B(z) - температура в моделі приміщення; t_З - температура зовнішнього повітря; д - товщина огороджувальної конструкції.

Рис. 6. Модель приміщення.

Диференційне рівняння зміни температури повітря всередині моделі приміщення має вигляд:

(18)

де m_П - маса повітря у паралелепіпеді, кг;

F - площа внутрішніх поверхонь паралелепіпеду, м²;

t_В(ф) - температура повітря всередині моделі приміщення, є функцією часу, °С;

с_П - масова теплоємність повітря, Дж/(кг·°С);

ф - час, с;

х - координата (рис. 6), м;

t - температура огороджувальної конструкції при координаті х, °С.

Якщо припустити що температура повітря, що фільтрується та матеріалу огороджувальної конструкції у кожній точці перерізу співпадають (що буде справедливим при невеликих витратах повітря), то диференційне рівняння теплопровідності огороджувальної конструкції з фільтрацією повітря, матиме вигляд

(19)

де с_М - питома теплоємність матеріалу огороджувальної конструкції, Дж/(кг·°С);

с_м - густина матеріалу огороджувальної конструкції, кг/м³;

л - коефіцієнт теплопровідності матеріалу, Вт/(м·°С);

g - витрата повітря, що проходить через конструкцію, кг/(м²·с).

Розв'язком цього рівняння є функція зміни температури огороджувальної конструкції в залежності від координати і часу. Загальний розв'язок рівняння (19) має вигляд

(20)

Рівняння (20) задовольняє рівнянню (19) при будь-яких значеннях сталих С₁, С₂, k.

Використаємо рівняння (20), щоб знайти розподіл температури у стінці моделі приміщення при її охолодженні. Приймемо наступні вихідні дані: початкова температура повітря всередині паралелепіпеду t_В, зовнішня температура t_З, товщина стінки д, Початковий розподіл температури всередині стінки відповідає стаціонарному розподілу.

Використовуючи умову , визначаємо С₃ = t_З.

Для рішення даної задачі використано граничні та початкові умови.

Граничні умови на зовнішній і внутрішній поверхні стінки моделі приміщення (рис. 6) можна записати наступним чином:

(21)

де б_В, б_З - коефіцієнт теплообміну, відповідно на внутрішній і зовнішній поверхні стінки.

Після математичних перетворень, функція зміни температури повітря в моделі приміщення матиме вигляд:

(22)

Рівняння (22) разом з системою рівнянь (21) дають змогу визначити невідомі коефіцієнти k у рівнянні (20) та (22).

Оскільки характеристичне рівняння має нескінченну кількість коренів, то загальний розв'язок рівняння (20) для визначення температури у довільній точці огороджувальної конструкції в заданий момент часу можна представити сумою нескінченного ряду:

,(23)

де . (24)

де

А рівняння для визначення температури повітря у приміщенні можна записати у вигляді

(25)

Одержані рівняння, які характеризують зміну концентрації шкідливих речовин в приміщенні при перехідних процесах, а також рівняння, що характеризують зміну температури повітря в приміщенні дають можливість розробити алгоритм розрахунку теплоповітряного режиму приміщення. Послідовність розрахунку за допомогою запропонованого у дисертаційній роботі алгоритму для приміщення з природною витяжною вентиляцією і приливом повітря через фрамуги вікон, що періодично відкриваються, наступна:

· ввід даних. Вхідними даними для розрахунку будуть: виділення шкідливих речовин, час експлуатації та перерви в експлуатації приміщення, концентрація шкідливої речовини в зовнішньому, початкова концентрація у внутрішньому повітрі та ГДК, параметри температури зовнішнього та внутрішнього повітря, допустиме коливання температури у приміщенні тощо;

· розрахунок необхідного повітрообміну у приміщенні, виходячи з умови щоб концентрація за проміжок експлуатації приміщення не перевищила ГДК;

· розрахунок діючого перепаду тиску та розрахунок гідравлічного опору вентиляційних каналів;

· розрахунок повітрообміну, що забезпечується при відкритих фрамугах вікон;

· розрахунок концентрації шкідливості після провітрювання приміщення при відкритих фрамугах. Блок 8, 9. Розрахунок концентрації в наступний проміжок експлуатації приміщення. Якщо вона перевищу ГДК то збільшується час провітрювання або перерізи вентиляційних каналів;

· повторюється розрахунок блоків 7-9 для всіх проміжків експлуатації приміщення протягом зміни;

· розрахунок витрат теплоти на нагрівання вентиляційного повітря;

· розрахунок процесів нагрівання та охолодження приміщення;

· при зниженні температури за час провітрювання на величину більшу за допустиму - збільшення потужності опалювальних приладів з певним кроком і перерахунок блоку 12;

· вивід результатів. Розміри вентиляційних каналів, кількість вікон, що повинні відкриватися, необхідний час провітрювання у залежності від зовнішніх умов, витрати теплоти не вентиляцію.

П'ятий розділ присвячений експериментальному дослідженню перехідних процесів зміни концентрації шкідливих речовин у приміщенні та розробці практичних рекомендації щодо застосування запропонованих методик розрахунків.

Метою експериментальних досліджень була перевірка розроблених математичних моделей для визначення стану повітря в приміщенні, а також для оцінки ступеню їх адекватності.

Для вимірювання концентрації СО₂, температури, рухливості та вологості повітря використовувався багатофункіональний вимірювальний пристрій TESTO-435.

Були проведені два експерименти в натурних умовах. В першому експерименті вимірювання проводились у приміщенні лекційної аудиторії. Схема приміщення представлена на рис 7. Площа приміщення - 128 м², об'єм - 550 м³. У приміщенні під час лекції знаходилось 55 осіб. Вимірювання проводились у 3-ьох точках Т.1, Т.2, Т.3. (рис. 7). Запис відбувався щохвилини, протягом одного заняття. Вентиляція при проведенні досліду не працювала. Діапазон змін концентрації СО₂ протягом експерименту склав 1824ч5737 мг/м³ (1005ч3183 ppm).

Рис. 7. Схема приміщення

Результати вимірювань в Т.1, Т.2, Т.3 представлені на рис. 8. Експериментальні дані характеризуються пунктирною лінією (Т.1), штрих пунктирною лінією (Т.2) і лінією показаною точками (Т.3). На цьому ж графіку суцільною лінією показана концентрація вуглекислого газу, розрахована за допомогою рівняння (7). Максимальне відхилення експериментальних даних від розрахункових складає 12%.

Рис. 8. Результати розрахунків та дані експериментальних досліджень зміни концентрації СО₂ у об'ємі приміщення лекційної аудиторії.

В другому експерименті вимірювання проводились у приміщенні для практичних занять університету. Схема приміщення представлена на рис. 9. Об'єм приміщення складає 130 м³. Вимірювання проводилось у 3-ьох точках приміщення Т.1, Т.2, Т.3 (рис. 9) та на зовні приміщення Т.4, протягом 3-ьох занять. Під час першого заняття в аудиторії перебувало 15 осіб, другого - 13 осіб, третього - 12 осіб. Запис даних вимірювань відбувався кожні 5 хвилин. Діапазон зміни середньої швидкості повітря у вентиляційному каналі протягом експерименту складав від 0,35 до 1,2 м/с. Діапазон зміни концентрації вуглекислого газу протягом експерименту склав 1037ч2607 мг/м³ (576ч1459 ppm).

Рис. 9. Схема приміщення (план).

Результати вимірювань та результати розрахунків концентрації вуглекислого газу приведені на рис. 10. Порівнюючи результати експериментів з результатами розрахунків в цілому можна зробити висновок про адекватність математичної моделі. Далі у п'ятому розділі виконані порівняння постійно і періодично діючих систем вентиляції. Аналіз виконаний на прикладі окремих приміщень спортивних та кіноконцертних залів, житлових приміщень, приміщень навчальних аудиторій. Показані основні шляхи для скорочення витрат на системи вентиляції приміщень.

Рис. 10. Результати розрахунків та експериментальні дані вимірювання концентрації вуглекислого газу в аудиторії протягом 3-ьох занять.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Існуючі методики розрахунку повітрообміну для систем вентиляції базуються на стаціонарних режимах і не враховують часові особливості експлуатації приміщень, тому не завжди дають коректні результати і часто завищують необхідний повітрообмін. При визначення необхідного повітрообміну «по кратності» стан повітря у приміщенні при його експлуатації може виявитись не задовільним або повітрообмін може бути завищений. Тому виникає необхідність створення математичних моделей які б враховували не стаціонарність повітряного режиму приміщень.

2. Існуючі методики розрахунку повітряного режиму приміщень, що враховують повітропроникність конструкцій досить громіздкі і не коректно враховують наявність внутрішніх гідравлічних зв'язків між різними приміщеннями, тому для визначення повітряного режиму приміщень необхідно вдосконалити існуючі методики.

3. Запропонована покращена методика розрахунку повітряного режиму приміщення при усталеному (стаціонарному) процесі. Ця методика дає можливість розрахувати повітрообмін в приміщеннях з урахуванням сумісної дії гравітаційного і вітрового тиску. Вона також дає можливість аналізувати вплив фільтрації на повітряний режим приміщень. На основі запропонованої методики можна розробити рекомендації щодо зменшення впливу перетоків повітряних мас між різними зонами будівлі.

4. Розроблена математична модель зміни концентрації шкідливих речовин у повітрі приміщення у залежності від часу, для випадку коли надходження шкідливих речовин змінюються за лінійною залежністю. Запропонована модель дає змогу аналізувати вплив перехідних процесів на якість повітря в приміщенні і на основі цього рекомендувати раціональні режими роботи систем вентиляції.

5. Розроблена математична модель теплового режиму приміщення, що враховує роботу системи вентиляції. Дана модель дозволяє оцінити вплив періодичного провітрювання приміщення на його тепловий режим.

6. Проведений аналіз перехідних процесів для типових громадських будівель, на основі якого зроблені рекомендації та висновки щодо можливості скорочення енерговитрат на експлуатацію систем вентиляції.

7. Результати роботи впроваджені при розробці проекту реконструкції системи вентиляції спортивного комплексу Полтавського національного технічного університету імені Юрія Кондратюка, що підтверджується відповідним актом. Економічний ефект від впровадження запропонованих методик розрахунку оцінюється у 35 тис. грн.

Щодо необхідності подальших досліджень за тематикою даної роботи, то вона безперечно залишається. Оскільки, при внесенні відповідних змін у системи вентиляції, з'являється необхідність змінювати не лише самі повітрообміни, а можливо в деякий випадках і схему приготування та роздачі повітря.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Строй А. Ф. Расчет воздухопроницания сквозь ограждающие конструкции при наличии вытяжных каналов в помещении / А. Ф. Строй, Е. З. Пиотровски, А. В. Макаренко // Коммунальное хозяйство городов. Науч.-техн. сб. ХНАГХ. - К.: Техніка, 2006. - Вип. 67. - С. 109-121.

Особистий внесок здобувача - запропонована фізична модель процесів фільтрації, розрахунок фільтрації для типових приміщень.

2. Макаренко О. В. Нестаціонарна теплопровідність огороджувальних конструкцій будівлі при фільтрації повітря / О. В. Макаренко // Науковий вісник будівництва. - Харків: ХДТУБА, ХОТВ АБУ, 2008. - Вип. 50. - С. 282-287.

3. Строй А. Ф. Зміна концентрації шкідливих речовин в приміщеннях при періодичній вентиляції / А. Ф. Строй, О. В. Макаренко // Науковий вісник будівництва. - Харків: ХДТУБА, ХОТВ АБУ, 2010. - Вип. 56. - С. 233-237.

Особистий внесок здобувача - аналіз математичної моделі зміни концентрації шкідливих речовин.

4. Строй А. Ф. Розрахунок повітрообміну в приміщеннях при періодичному надходженні шкідливих речовин / А. Ф. Строй, О. В. Макаренко // Коммунальное хозяйство городов. Науч.-техн. сб. ХНАГХ. - К.: Техніка, 2010. - Вип. 93. - С. 399-404.

Особистий внесок здобувача - аналіз результатів розрахунків повітрообміну при періодичній вентиляції.

5. Строй А. Ф. Розрахунок вентиляції спортивних та кіноконцертних залів / А. Ф. Строй, О. В. Макаренко // Коммунальное хозяйство городов. Науч.-техн. сб. ХНАГХ. - К.: Техніка, 2011. - Вип. 97. - С. 174-182.

Особистий внесок здобувача - розрахунок перехідних процесів та їх аналіз, розробка рекомендацій по скороченню енергозатрат.

6. Строй А. Ф. Економія теплової та електричної енергії при експлуатації систем вентиляції / А. Ф. Строй, О. В. Макаренко // Науковий вісник будівництва. - Харків: ХДТУБА, ХОТВ АБУ, 2011. - Вип. 62. -

7. С. 251-257.

Особистий внесок здобувача - аналіз перехідних процесів зміни концентрації вуглекислого газу, розрахунок теплового режиму приміщень.

АНОТАЦІЯ

Макаренко О.В. Повітряний режим приміщень при періодичній вентиляції. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.03 - вентиляція, освітлення та теплогазопостачання. - Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури, Харків, 2011.

Розроблено покращену методику розрахунку повітряного режиму приміщень при стаціонарних процесах, що враховує повітропроникність зовнішніх огороджувальних конструкцій та внутрішні гідравлічні зв'язки у будівлі.

Розроблено математичну модель перехідного процесу зміни концентрації шкідливих речовин, що дає змогу на основі аналізу режимів експлуатації приміщення визначити необхідний повітрообмін при роботі періодичної вентиляції приміщення.

Розроблена математична модель для розрахунку теплового режиму приміщення при роботі періодичної системи вентиляції.

Ключові слова: фільтрація повітря, перехідні процеси, концентрація шкідливих речовин, провітрювання, повітряний режим, періодична вентиляція, нагрівання приміщення, охолодження приміщення, тепловий режим.

АННОТАЦИЯ

Макаренко А.В. Воздушный режим помещений при периодической вентиляции. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.03 - вентиляция, освещение и теплогазоснабжение. - Харьковский государственный технический университет строительства и архитектуры, Харьков, 2011.

Диссертация посвящена улучшению воздушного режима помещений гражданских и жилых зданий. Основной акцент в роботе сделан на малоизученные переходные процессы изменения содержания вредных веществ в объеме помещения. В диссертации комплексно рассмотрены воздушный и тепловой режим при периодической вентиляции.

На основе составленных воздушных балансов улучшена методика расчета воздушного режима помещений при стационарных процессах, которая учитывает воздухопроницаемость внешних ограждающих конструкций и внутренние гидравлические связи помещений здания. С помощью данной методики можно оценить влияние воздухопроницаемости ограждений на работу системы вентиляции и перетоки воздушных масс между смежными помещениями.

Разработана математическая модель переходного процесса изменения концентрации загрязняющих веществ, которая дает возможность на основании режимов эксплуатации помещения определить необходимый воздухообмен при роботе периодической вентиляции помещения. Модель рассмотрена для двух случаев: при постоянной величине поступлений загрязняющих веществ и когда поступления загрязняющих веществ изменяются по линейной функции. Результаты проведенных натурных экспериментальных исследований подтверждают достоверность разработанной методики.

Разработана математическая модель для расчета теплового режима помещения при роботе периодической системы вентиляции. Она позволяет рассчитать температуру помещения при его охлаждении или нагревании с учетом воздухообмена в помещении.

В разделе практических рекомендаций выделены основные пути сокращения капитальных и эксплуатационных затрат на системы вентиляции за счет «запаздывания» включения системы вентиляции, сокращения воздухообменов, периодического проветривания.

Ключевые слова: фильтрация воздуха, переходные процессы, концентрация вредных веществ, проветривание, воздушный режим, периодическая вентиляция, нагревание помещения, охлаждение помещения, тепловой режим.

ABSTRACT

Makarenko O.V. The air mode of apartments at periodic ventilation. - Manuscript.

The thesis is submitted to obtain the Candidate of sciences (technical) degree (Ph.D), on speciality 05.23.03 - ventilation, illumination, heat and gas supply. - Kharkov state technical university of construction and architecture, Kharkov, 2011.

The improving method of calculation of the air mode of apartments at stationary processes, that takes into account ventileness of external constructions and internal hydraulic copulas in building, is developed.

The mathematical model of transient of change of concentration of harmful matters, which enables on the basis of analysis of the modes of exploitation of apartment to define necessary ventilation during work of periodic ventilation of apartment, is developed.

The mathematical model for the calculation of the thermal mode of apartment during work of the periodic system of ventilation is developed.

Keywords: filtration of air, transients, concentration of harmful matters, ventilation, air mode, periodic ventilation, heating of apartment, cooling of apartment, thermal mode.

Размещено на Allbest.ru

...