Гравитационная тяга в системе отопления и естественная тяга в вентиляции зданий

Гравитационная или естественная тяга- это явление, которое своими проявлениями нас окружает постоянно.

Именно ему мы обязаны сквознякам из окон зимой и быстрому таянью льда на водоёмах весной.

Ветер на улицы- это тоже следствии наличия гравитационной тяги в больших объёмах атмосферы планеты.

В данной статье мы разберём гравитационную тягу только в ограниченных объёмах рукотворных объектов, а именно: трубы систем водяного отопления и системы вентиляции высотных зданий.

 

Гравитационная тяга в трубах водяного отопления.

Гравитационная тяга в трубах отопления в чистом виде используется на пользу человека в безнасосных системах водяного отопления небольших сельских домов.

Ранее я слегка касался этой темы в статье про попутные и тупиковые системы отопления (см. статью по ссылке).

https://habr.com/ru/articles/770464/

Теперь же стоит разобрать вопрос подробнее.

В гравитационной системе отопления циркуляция воды в замкнутом  контуре из труб и радиаторов обусловлена постоянно присутствующей разницей плотности воды в горячих и холодных участках труб. (см.рис.1)

 

Рис.1. Схема системы отопления с гравитационным побуждением и схема возникновения гравитационной тяги в замкнутом контуре отопления.

 

Побуждающее действие для движения постоянно вкачивается в систему в водогрейном котле,  проходя через который вода нагревается на некоторую величину дТ.

Именно  эта разница температур между горячей водой с температурой  Т1 и остывшей водой с температурой Т2 создаёт разницу плотностей воды при температурах Т1 и Т2 соответственно.

Плотность воды при различных температурах можно узнать из специальных таблиц (см.рис.2)

Рис. 2. Таблица плотности воды при различной  температуре.

 

Возьмём для примера разницу температур дТ=90-70=20С при температурах Т1=90С и Т2=70С.

Согласно таблицы, плотность воды будет составлять q1=0,9653 и  q2= 0,9778 г/мл.

1г/мл=1000кг/м3.

Таким образом,  один метр водяного столба с температурой Т1=90С и плотностью 965,3кг/м3=0,9653 г/мл создаст давление:

Р1=q1*g*h=965,3*9,81*1=9469,6 Па

При этом на том же перепаде высот в один метр водяного столба с температурой Т2=70С и плотностью 977,8кг/м3=0,9778 г/мл создаст давление:

Р1=q1*g*h=977,8*9,81*1=9592,2 Па

Разница давлений в циркуляционном кольце с перепадом в dh=1м cоставит:

 дР= Р2-Р1= 9592,2 - 9469,6 = 122,6 Па

Именно это давление дР=122 Па/м= 12мм.вод.с/м  является тем располагаемым «насосным напором», который используется для расчёт систем «гравитационного» отопления в деревенских домах.

 Располагаемый напор 122Па/м- это очень небольшая величина, используя которую приходится проектировать системы отопления с большими диаметрами труб для обеспечения низких скоростей тока воды в них.

Простейшая система отопления состоит из гладкой трубы в два ряда (туда и обратно), где верхняя труба будет горячей, а нижняя холодной.(см.рис.3)

Рис. 3. Схема бифилярной регистровой системы отопления из гладких труб постоянного сечения.

 

Мощность регистра на графике 90/70-20С примем 5кВт, что будет соответствовать расходу воды

Q=5/(4,19*20)=0,0597л/с или

0,0597л/с*3600=214,8л/час.

Диаметр трубы примем Ду 50 (Ф57х3мм)

Суммарная  длина труб регистра L=50м от котла и обратно, при этом труба на пути имеет 8 поворотов.

При расход 215л/ч по трубе Ду50 удельное сопротивление  определяем по номограмме (см.рис.4).

Из-за крайне низкого расхода напрямую определить сопротивление трубы  невозможной, что  требует использовать пересчёт из более высоких расходов, отражаемых на графике.

Рис.4.  Номограмма гидравлических сопротивлений труб круглого сечения стандартного  ряда типоразмеров.

 

Так определяем сопротивление прямой трубы Ду 50 для скорости 0,4м/с с расходом 3,6м3/ч, которое составит дР50у=6мм/вд.ст/м =60Па/м.

Так как расчётный расход всего 215л/ч (0,215м3/ч), то реальная скорость потока составит

V=0,4*0,215/3,6=0,0239м/с

При такой скорости потока в трубе скоростной напор равен:

 Рv=q*V^2/2=1000*0,0239^2/2=0,29Па

При этом  удельное сопротивление будет иметь квадратичную функцию от расходов:

 дР50у= 60*(0,215/3,6)^2=0,214 Па/м

Зная удельное сопротивление  тубы дР50у=0,214 Па/м  и скорость потока V=0,0239м/с  можем  рассчитать общее сопротивление контура отопления.

Сопротивление по длине:

дРл=50*0,214 = 10,7Па

Сопротивление поворотов:

дРг=8* Рv*0,5=8* 0,29Па *0,5=1,16Па

Итого суммарное сопротивление системы составит:

дРот= дРл+дРг=10,7+1,16= 11,86 Па

Округляем до 12Па.

Таким образом данное сопротивление дРот=12 Па при гравитационной тяге 120Па/м с температурным перепадом дТ=20С обеспечивает  столб  воды на высоте всего 0,1м.

То есть котёл надо опустить ниже трубы обратки всего на 0,1м, и тогда вся система регистрового отопления будет исправно работать при расчётных  параметрах теплоносителя.

 

 Режим межсезонья.

Предыдущий расчёт был сделан для  номинального режима системы отопления 90/70-20С.

А что будет  с системой  отопления когда уменьшится перепад температур теплоносителя до параметров 35/30-20С, то есть дТ=5С?

Создаваема гравитационная тяга станет:

Рг=995,7-993,7=2 мм.вод.ст/м

То есть при температуре на улице около +8С гравитационная тяга уменьшится в 6 раз от номинальной.

При этом расход по системе упадёт в К=6^0,5=2,45 раз.

Значит ранее рассчитанный минимальные перепад по высоте расположения котла нужно увеличить в 6 раз: от 0,1м до 0,6м.

Тогда система будет прогреваться  быстро и равномерно не только в короткие периоды  лютых холодов, но и в длительные периоды средних и малых отопительных температур.

 

Роль уклона коллекторов в гравитационных системах отопления

На большинстве картинок с гравитационными системами отопления показаны уклоны при прокладке «горизонтальных» коллекторов.

Рис.5. Схема системы отопления с гравитационным побуждением, где указаны нормированные уклон 5мм на погонный метр, что  при  прокладке «горизонтальных» коллекторов длиной по 25 метров потребует опустит дальний конец коллектора  на 125мм.

В обычных насосных системах, где скорости потока относительно велики, трубы отопления прокладывают без нормируемых уклонов.

А вот в гравитационной системе скорости потока на столько малы (менее 0,1м/с даже в начале коллектора), что  вода в трубах начинает иметь заметную разницу температуры по высоте диаметра трубы, а это приводит к разности плотностей по диаметру  и возникновению явления стекания тяжёлой остывшей воды по уклону трубы вниз.

Если на коллекторе не сделать уклон в нужную сторону, то есть от котла, то слегка остывшая вода из верхнего коллектора может начать стекать обратно в котёл из нижней части верхней подающей трубы.

Чтобы такого не происходило и делают нормированный  уклон в подаче от котла.

В  обратке уклон делают наоборот, то есть  в сторону котла.

В принципе, возможно прокладывать коллекторы и строго горизонтально, но тогда надо делать сифонный перегиб на вершине вертикальной части подающей трубы от котла.

Рис.5-2. Картинка прокладки коллекторов гравитационной системы отопления, где под расширительным баком над стояком подачи от котла выполнен сифон, предотвращающий затекание холодной воды из верхнего коллектора в котёл.

В этом случае холодный слой на дне горизонтальной трубы не сможет преодолеть сифон в сторону котла и вынужден будет стекать вниз по вертикальным подводкам к радиаторам (если они подключены снизу от коллектора).

При нижнем расположении коллектора под радиаторами слой остывшей воды на дне сечения будет застаиваться, а горячая вода будет протекать над ним к верхним врезкам в коллектор.

В силу высокой теплопроводности стальной трубы тепло будет постоянно передаваться от верхних горячих слоёв к нижним холодным, тем самым подогревая их. То есть при остывании слоёв воды величина температурного перепада по высоте диаметра горизонтального коллектора будет не очень большой.

 

Различные схемы гравитационного отопления  одноэтажного дома.

Ранее мы рассмотрели простейшую схему отопления с гравитационной тягой для одноэтажного дома, а именно: система отопления с регистрами постоянного сечения их гладких стальных труб. (см.рис.3)

Кроме простейшей утилитарной схемы без излишеств можно использовать в качестве отопительных приборов ещё и радиаторы различных типов (чугунные секционные, биметаллические секционные, стальные трубчатые и даже стальные панельные).

В случае применения отдельных отопительных приборов схема системы не только усложняется, но также может повысится и её сопротивление. Рассмотрим такие схемы.

 

Двухтрубная схема с разнесёнными коллекторами.

В этой схеме коллектор подачи находится выше радиатора отопления (под потолком комнаты или под уровнем подоконника), а коллектор обратки лежит вдоль плинтуса ниже радиатора отопления (см.рис.6)

Задирать коллектор подачи под потолок- это хоть и распространённое решение, но не лучшее с точки зрения комфортного отопления.

Так наиболее нагретая труба подачи оказывается в самой нагретой верхней части  помещения, а нижняя часть помещения и полы над грунтом оказываются недогретыми.

Получаеся очень большой перепад  температуры по высоте по типу: «Голова в жаре, а ноги в холоде». Такой режим прогрева весьма характер для деревенских плохо утеплённых домов с неудачно сконструированной гравитационной системой отопления.

Рис.6. Схема двухтрубной горизонтальной системы отопления с разнесёнными горизонтальными коллекторами.

 

Коллекторы подачи и обратки  соединяются между собой через радиаторы отопления  и их подводки из полдюймовой трубы (или Ду20)

Наличие радиаторов повышает теплоотдачу системы, что позволяет получить равный тепловой поток  при более низкой температуре теплоносителя или при меньшем расходе теплоносителя при сохранение прежнего перепада температур между обраткой и подачей.

Протекание по радиатору и тонким трубкам подводок повышает сопротивление системы до уровня большего, чем у регистра из гладкой трубы постоянного сечения.

 

Двухтрубная схема с нижним положением  коллекторов.

В этой схеме коллекторы подач и обратки лежат вдоль плинтуса ниже радиатора отопления (см.рис.7)

Коллекторы подачи и обратки  соединяются между собой через радиаторы отопления  и их подводки из полдюймовой трубы (или Ду20)

Рис.7.  Схема двухтрубной горизонтальной системы отопления с горизонтальными коллекторами под радиаторами вдоль пола.

 

Наличие радиаторов повышает теплоотдачу системы, что позволяет получить равный тепловой поток  при более низкой температуре теплоносителя или при меньшем расходе теплоносителя.

Протекание по радиатору и тонким трубкам подводок повышает сопротивление системы до уровня большего, чем у регистра из гладкой трубы постоянного сечения.

Интересно, что подъем горячей трубы в радиатор и опускание остывшего теплоносителя в радиаторе практически не добавляет гравитационной тяги в систему, так как вся тяга расходуется на преодоление сопротивления самого радиатора, составляющего более 10Па при подводках из трубы Ду15.

Для повышения гравитационной тяги в системе за счёт тяги в радиаторах используют подводки из трубы Ду20, в которых резко падает скорость потока  и сопротивление трубы, высвобождая гравитационную тягу для преодоления сопротивления коллекторов.

 

Однотрубная система из бифилярного регистра с дополнительными радиаторами

Схема визуально очень похожа на двухтрубную с нижними коллекторами, но при этом радиатор подсоединён только к одной из труб коллектора по однотрубной схеме (ленинградка). (см.рис.8)

Такая система  позволяет работать системе отопления в режиме гладкого бифилярного регистра, при этом дополнительно получить теплоотдачу от радиатора без дополнительного сопротивления в системе. Прокачку радиатора осуществляет он сам за счёт создаваемой им самим гравитационной тяги внутри себя.

Рис.8. Схема однотрубной горизонтальной системы отопления (ленинградка) с горизонтальными коллекторами под радиаторами вдоль пола.

 

Схема с расположением  коллекторов в техническом подполье.

В этой схеме коллекторы подач и обратки лежат ниже радиаторов и ниже уровня пола в техническом подполье дома. (см.рис.9)

Схема работает также  как и предыдущая схема с нижним расположением коллекторов вдоль пола.

Главным и отличиями данной схемы являются два фактора:

- большая эстетичность системы отопления из-за отсутствия в зоне видимости уродливых и громоздких коллекторов отопления;

- расположение коллекторов отопления в техническом подполье позволяет обогревать с их помощью плиты перекрытия (доски пола), тем самым создавая эффект тёплого пола без вмуровки отдельных теплоотдающих змеевиков в конструкцию пола.

Рис.9. Схема двухтрубной горизонтальной системы отопления с горизонтальными коллекторами под радиаторами в техническом подполье.

 

Для скрытого размещения коллекторов в техподполье и сохранения возможности доступа к ним для обслуживания нужно делать  достаточно высокое техподполье ( не ниже 0,9 м ).

Преимуществом наличия высокого техподполья является то, что в нём можно проложить скрыто и с возможностью обслуживания все инженерные сети дома : отопление, водопровод, канализация, электричество, провода слаботочных систем ( ТВ-интернет).

Тёплый подпол повышает высоту  и стоимость коробки дома, но за это повышает тепловой и визуальный комфорт в доме, а также  избавляет от необходимости рыть глубокий приямок для установки котла с гравитационной тягой.

 

Применение насоса в гравитационной системе отопления

Применение насоса в гравитационной системе отопление обусловлено тем, что в период наличия электричества можно себе позволит избыточную принудительную циркуляцию по системе отопления без привязки к текущей мощности котла.

При этом желательно сохранить способность системы работать без электричества при внезапном его исчезновении в силу природных катаклизмов или из-за аварии на сетях.

Тут возможно два основных варианта:

- насос на байпасе с перекрытием краном основной трубы от котла;

- насос на байпасе без перекрытием основной трубы от котла, при этом добавочная тяга в системе создаётся эжектирующей высокоскоростной струёй от циркуляционного насоса избыточной производительности.

 

Вариант -1. Насосная циркуляция с перекрытым байпасом.(см.рис.10)

Рис.10. Схема котельной на гравитационной тяге с режимом насосной прокачки. Насос установлен на байпасе вокруг отсекающего крана  с сервоприводом на основной магистрали отопления к котлу. Отсекающий кран закрыт когда работает насос при наличии электричества.

 

Первый вариант  присоединения насоса к гравитационной системе отопления обеспечивается за счёт установки  на основной магистрали запорного шарового крана с сервоприводом с возвратной пружиной.

Такой шаровой кран может стоить около 15-20 тыс.руб.(см.ри.11)

Рис. 11. Внешний вид, характеристики и цены для запорных кранов Ду 40-50 с сервоприводом.

 

При наличии  электричества сервопривод держит кран закрытым, а система прокачивается циркуляционным насосом малой производительности (сопротивление системы очень низкое, а расход в доме тоже мал).

При увеличении прокачки в 4 раза до 2 м3/с давление подскочит в 16 раз, достигнув 2кПа (0,2м.вод.ст)

Это обеспечивает  насоса UPS 25-60 (Грундфос) на 1-й скорости при электрической мощности мощности 50Вт. (см.рис.12)

При отключении электричества сервопривод открывает кран на основной магистрали за счёт действия возвратной пружины, после чего циркуляция в контуре отопления осуществляется только за счёт гравитационной тяги на расчётном расходе 0,43м3/ч.

Рис.12.  Характеристики циркуляционного насоса UPS 25-60 (Грундфосс) с мокрым ротором для систем отопления.

 

Вариант -2. Насосная циркуляция с эжектированием.

Если с первым вариантом всё понятно, то второй вариант  значительно интереснее.

Так узел подмеса представляет из себя своеобразный элеваторный узел. (см.рис.13-14)

Рис. 13. Схема котельной на гравитационной тяге с режимом эжекционно-насосной прокачки. Насос установлен на байпасе вокруг  участка (с поворотом) основной магистрали отопления к котлу.

Рис.14. Разрез самосборного эжекционно-соплового узла  из стандартных резьбовых фитингов трубопроводной арматуры Ду50 и Ду15.. В зависимости от сопротивления сети  расход по системе и подмес сверху в эжектирующем узле может меняться. Так при повышении сопротивления системы отопления  выше некоторого уровня  расход по сети может быть меньше расхода насоса через сопло Ду15, и тогда  подмес сверху может разворачиваться (стрелкой вверх), превращаясь из подмеса  в поток рециркуляции к насосу.

 

Его тяга рассчитывается по закону Ньютона:

F=dV*m

А движущий напор в трубе равен

dР=F/Sт

В данном случае

 dV=(6-0,4)=5, 8м/с,

 m= 2600/3600=0,72кг/с

Sт- площадь сечения трубы коллектора Ду50

Sт=(0,05/2)^2*3,14=0,00196 м2

Итого:

 дР=5,6*0,72/0,00196=2057 Па

Это  давление не велико, но даже оно в 7 раз выше, чем от гравитационной тяги котельной из подвал глубиной 3 м.

То есть такой эжектирующий насос обеспечит увеличение циркуляции в 4 раза от  реально располагаемой тяги 120Па  для котла в цоколе с перепадом 1м.

Таким образом, в системе будет циркулировать теплоноситель с дТ=5С градусов даже  в номинальный мороз.

А в межсезонье весной и осенью при Тул=+10С перепад температуры между обраткой и подачей будет и вовсе не ощутимым порядка дТ=1С.

Этот эффект достигается при работе насоса UPS 25-60 (Грундфос) на мощности 70Вт.

Занятно, что по первой схеме с перекрытым краном байпасом тот же расход 2 м3/ч по контуру обеспечивает такой же насос, но на 1-й скорости с мощностью 50Вт.

За 10 лет работы до замены котла эжектирующий насос израсходует  лишнего электричества на сумму

=250*(0,07-0,5)*24*4=4800 руб.

Таким образом, установка эжектирующего насоса в 3 раза выгоднее, чем установка запорного крана с сервоприводом ценой в 17тыр.руб.

Про  значительно большую надёжность второго варианта я даже не говорю, так как то чего нет сломаться не может!

 

Гравитационная тяга в природе

Гравитационная тяга существует не только в трубах, но везде, где  среда меняет плотность при нагреве.

Так именно гравитационная тяга обеспечивает конвекционную теплоотдачу от радиаторов отопления, унося с потоком  нагретого и расширившегося воздуха тепло от радиатора к холодным стенам и окнам в помещении.

Конвекция  возникает и в водоёмах при намерзании или таянье льда.

В случае намерзания льда  остывающая вода погружается на дно, а тёплая вода поднимается вверх.

Таким образом лёд  на водоёме не намерзает пока не остынет весь водоём до самого дна.

И только после полного  остывания всей толщи водоёма начинает намерзать корка льда сверху. Это обеспечивает очень  медленное нарастание льда  при наступлении холодов.

В тоже время весной  лёд тает быстро, так как прогревается только верхний слой воды подо льдом, а весь объём водоёма прогревать не требуется, так как при прогреве сверху конвекция в толще воды не возникает.

В случае охлаждения воды существует аномалия плотности воды, так максимальная плотность воды достигается при +4С (см.рис.16), таким образом  водоёмы зимой не остывают ниже +4С на дне (см.рис.15).

При этом под поверхностью  льда вода может остывать и до +0С.

Сам же лёд тоже аномально  лёгкий, так как при замерзании вода в ледяных кристаллах резко  теряет плотность с 999,8 до 917 кг/м3, то есть  расширяется на 999,8/917=1,09 раза  или на 9%.

Именно этим расширением при замерзании объясняется плавание льда на поверхности воды (см.рис.17).

 В тоже время подавляющее большинство других веществ при кристаллизации сжимаются и тонут в своём расплаве.

Рис. 15. Пример аномального распределения температуры воды в водоёме подо льдом зимой.

Рис.16.  Графики аномальной плотности воды и льда по температуре.

 

Рис. 17. Пример проявления  аномальных свойства воды при остывании и замерзании:  вода с температурой +4 С имеет максимальную плотность 1г/мл и не всплывает в воде с большей или меньшей температурой, именно по этому  водоёмы очень медленно остывают и редко промерзают до дна. В тоже время лёд менее плотный, чем вода, что заставляет лёд плавать на поверхности. Так из под воды торчит всего 9% от объёма айсберга или льдины, что позволяет определять толщину льда по уровню воды в проруби..

 

 Естественная тяга в воздуховодах вытяжной вентиляции

Законы физики везде одинаковы, таким образом суть явления «гравитационной тяги» проявляется не только в трубах с водой, но и в трубах с воздухом.

Именно на законах гравитационной тяги функционирует всем известна «естественная вентиляция» в наших домах.

Для примера рассчитаем такую систему вентиляции в отдельно взятом доме или квартире.

В качестве расчётной модели мы  так же выстроим кольцевой контур, но только состоять он будет не только из труб с фиксированным диаметром, но и из камер статического давления с около нулевыми скоростями потока.

Таких камер будет  две: окружающая бескрайняя атмосфера вокруг дома и комната от окна с форточкой до начала вытяжной трубы под потолком.(см.рис.18)

Для расчёта нам также понадобится номограмма сопротивлений воздуховодов (см.рис.19) и диаграмма влажного воздуха с указанием плотностей воздуха по температурам (см.рис.20).

Рис.18. Простейший контур естественной системы вентиляции в частном доме, замкнутый через улицу и форточку в окне.

Рис. 19. Номограмма аэродинамических сопротивлений воздуховодов круглого сечения стандартного  ряда типоразмеров.

Рис. 20. Диаграмма влажного воздуха ( I-d диаграмма). Плотности воздуха указаны наклонными прямыми линиями с обозначением величины плотности  на конце линии справа.

 

Для расчёта выберем наиболее часто встречающийся диапазон уличной температуры около минус -5…+0С. То есть когда форточки прикрыты, чтобы не очень было холодно.

В этот момент плотность воздуха на улице при Т2=-1С составит 1,3кг/м3, тогда как в комнате при Т1=+20С  плотность воздуха составит 1,2кг/м3.

Примем вертикальный канал высотой 3м ( воздуховод сквозь чердак до кровли).

Удельная тяга канала составит

дР= (1,3-1,2)*9,81=1 Па/м

Общая тяга воздуховода  высотой 3м составит:

Ре=3*1=3Па

Зная  тягу воздуховода можем рассчитать расход воздуха через него.

По номограмме определяем, что сопротивление 1Па/м  достигается в воздуховоде Ф100мм при  скорости V=2,5м/с и расходе Q=60м3/ч.

Это расчётное значение расхода для бесконечно длинного прямого воздуховода.

Вот только надо ещё учитывать потери давления на разгон воздуха от нуля в помещении к скорости в воздуховоде.

На этот разгон тоже тратится часть гравитационной тяги.

Pv=2,5^2*1,2/2=3,75

То есть скоростной напор  оказался больше суммарной тяги ВЕ. Получается, что такая скорость воздуха для данной  системы не достижима.

А  ведь ещё могут быть и повороты трубы, сопротивление которых  Кп может варьироваться в широком диапазоне. В данном случае для стандартного круглого отвода примем Кп= 0,5  скоростных напоров.

Для получения реального расхода надо решать уравнение:

  Ре=дР(v)*L+Pv(1+Кп*Nп)

Где дР(v)- это квадратичная функция от скорости потока.

Так как квадратичны от скорости обе функции, то  мы легко найдём искомый расход из отношения тяги Ре и  условным сопротивлением в выбранной изначально точке номограммы на скорости 2,5м/с.

Количество поворотов приме Nп=2 при Кп=0,5

В итоге получим Рр=3+3,75(1+2*0,5)=10,5

Кр=(Ре/Рр)^0,5=(3/10,5)^0,5=0,53

Итого расход:

 Qе= Qр*Кр=60*0,53=32м3/ч

Таким образом, мы получили реалистичную величину расхода воздуха в системе естественной вытяжной вентиляции (ВЕ) при перепаде 21С от минус 1С до +20С в помещении.

При более низких уличных температурах расход может вырасти (при открытой форточке), а при более  тёплой  погоде расход уменьшится  из-за уменьшения перепада плотности.

Летом естественная вентиляция не работает вовсе, и вся надежда на распахнутые настеж окна и ветер на улице.

Предельная величина гравитационной тяги воздуха  составит около 2Па/м при температуре на улице минус 30С.

При таком  двукратном росте тяги расход вырастет на корень из двух, то есть всего в 1,4 раза, а именно: с 32 до 45 м3/ч (на 40%).

Максимальный расход воздуха по системе ВЕ резко растёт при увеличении диаметра воздуховода.

 

Системы ВЕ и паразитическая естественная тяга  высотных зданиях

В системах домашних  вытяжек из санузлов и кухонь предельный расход сильно ограничен из-за малого сечения воздуховодов с большими удельными сопротивлениями по длине.

Ситуация резко меняется если рассматривать большие офисные здания с лифтовыми шахтами и воздуховодами большого сечения в системах центральной вентиляции.(см.рис.21)

Рис.21. Формирование естественной тяги и перетоков воздуха между этажами высотных зданий по лифтовым шахтам.

 

Так если рассмотреть здание высотой 50м (максимальная высота строения без строительных рассечек), то гравитационная тяга может составить до:

 50*2=100Па.

То есть на закрытую дверь в лестнице на 16 этаже будет давить сила около 20кг, что на ручке двери создаст усилие более 10кг.

Не всякий человек откроет такую присосавшуюся дверь!

Большие сечения воздуховодов на  расчётных скоростях будут иметь малые сопротивления, так воздуховод Ф630мм на скорости потока 5м/с  (предельная скорость даже для транзитных магистралей)  будет иметь удельное сопротивление всего 0,3 Па/м.

А по лифтовым шахтам большого сечения  сопротивление вообще исчезающе мало.

То есть перепад давления между улицей и помещением на 1-м этаже 16-этажного  здания  может достигать 100Па (при температуре на улице минус 30С).

При этом на 1-м этаже в щель в окне с улицы будет врываться струя воздуха со скоростью до 14 м/с при минус 30С, и около 10м/с при минус 5С.

А на 16 этаже приблизительно с такой же скоростью будет вырываться воздух из щелей  уже из помещения на улицу.

Именно такая мощная естественная  тяга и неконтролируемость перетоков воздуха по зданию в разные времена года вынуждает делать глухие окна без форточек в современных высотных офисных зданиях.

 В противном случае случайно открытое окно на верхнем этаже здания может высосать воздух из помещения на скорости 10-14м/с в проёме окна. При этом где-то внизу на первом этаже такой же по объёму поток холодного воздуха влетит в вестибюль через открытую уличную дверь.

При несанкционированных перетоках воздуха по зданию роль воздуховодов будут выполнять большие открытые  вертикальные пространства, такие как лестничные пролёты и шахты лифтов.

Хоть шахты лифтов закрыты дверями, но тонкий зазор по периметру двери вполне достаточен чтобы на скоростях 5-10м/с через них протекали огромные потоки воздуха. При этом лифтов в высоких зданиях бывает более 4 штук.

Через зазор 5мм по контуру всего одной лифтовой двери размером 2х1м с периметром 6м.п. на скорости 5 м/с протечёт:

0,005*6*5*3600= 540м3/ч

Расход воздуха 540м3/ч – это  очень приличный расход, который достаточен для вентиляции офиса площадью около 100м.кв.

Ну, а 4 штуки  таких лифтовых шахт способны перебить вентиляцию уже на площади целого этажа здания размером 30х20м в плане.

 

Разбалансировка принудительных систем вентиляции естественной тягой.

В высотных зданиях часто проектируют большие центральные системы приточной и вытяжной вентиляции, в которых общий воздуховод пронизывает всё здание по вертикали, а на каждом этаже делается ответвление для подачи воздуха на этаж.

При этом наладка системы производится, как правило, в тёплое время года, когда гравитационной  тяги нет вовсе, или её влияние незначительно.

Обычное сопротивление поэтажной сети не превышает 100Па, где на конечный диффузор типа ДПУ-М приходится уже известный по системам отопления приоритет 80%.

При  зимнем открытии окон на разных этажах офисного здания будет нарушена исходная  балансировка системы вентиляции.

При этом в нижних  этажах приток вентиляции уменьшится, а  в особо холодные дни вообще может остановится.

Такое явление называется «зависанием в системе», когда вроде бы  притоку ничего не мешает, но его нет.

Похожее явление  возникает в системах вертикального двухтрубного отопления, когда нижний радиатор «зависает» и перестаёт греться за счёт гравитационного подпора от холодного столба воды из обратки. (см.рис.22.)

Рис.22. Схема двухтрубной вертикальной системы отопления в момент «зависания» нижнего радиатора - то есть остановки циркуляции теплоносителя через нижний радиатор при равенстве циркуляционного давления от насоса Рн=Рг. Где Рн- циркуляционное давление от насоса, Рг- противодавления гравитационной тяги  из холодного стояка обратки.

 

При открытых окнах зимой в результате разбалансировки системы  на верхних этажах приток увеличится за счёт дополнительного  гравитационного подпора по зданию.

Похожим  образом разбалансируется и вытяжная система, только в зеркальном виде:  из верхних этажей система будет тянуть меньше, а из нижних этаже высосет больше расчётного.

В результате такого смещения расходов между этажами на нижних этажах будет холодно от  избыточного притока из окон, а на верхних этажах  будет избыточная приточная вентиляция нагретым воздухом из центральной приточной установки. При этом избыток притока на верхних этажах буде уходить в открытые окна.

 

Гравитационная тяга в высоких стояках двухтрубного отопления.

Отопление в вертикальных стояковых системах так же подвержено влиянию переменной гравитационной тяги.

Так в высотных зданиях на высоте 50м перепад гравитационной тяги в номинальном режиме при дТ=20С может достигнуть величины дР=120*50=6000Па (600мм.вод.ст)

Это переменное давление необходимо учитывать при расчёте сопротивления коллекторной части стояков, добавляя его к гидродинамическому сопротивлению.

В итоге на термостатический клапан повышенного сопротивления придётся устанавливать избыточно жёсткую настройку на дополнительное сопротивление  гравитационной тяги, а именно:

6*85/15=34кПа (3,4м.вод.ст)

Общее сопротивление на радиаторе достигнет 6-7м.вод.ст, что попадёт в зону высокого шума на клапане. То есть клапаны на  радиаторах зимой будут заметно шипеть.

Избежать шума позволяют поэтажные горизонтальные системы отопления (коллекторные или веерные), запитанные от вертикальных двухтрубных подъездных стояков теплоснабжения.

В этом случае на каждом этаже на  отводе от стояка устанавливается автоматический клапан постоянного расхода типа AB-QM (Данфосс) (см.рис.23-24) или  постоянного перепада давления, который берёт на себя не только переменную гравитационную тягу, но и весь дисбаланс гидравлического сопротивления стояков.

В результате каждый этаж высотного дома по структуре отопления становится не отличим от одноэтажного частного дома, где перепад давления по системе отопления не превышает 3-4м.вод. ст.

Рис.23.  Схема отопления высотного здания с поэтажными горизонтальными  ветками отопления от вертикальных подъездных стояков теплоснабжения. На отводе от стояков на каждом этаже установлены автоматические ограничители расход типа AB-QM (Данфосс).

 

Рис.24.  Вид и  некоторые характеристики автоматического клапана постоянного расхода AB-QM (Данфосс), который необходимо  использовать в высотных домах на поэтажных ответвлениях к двухтрубным системам отопления. Клапан в автоматическом режиме поддерживает постоянный расход воды  через себя, съедая на себе избыток внешнего циркуляционного давления в систем теплоснабжения.