Пассивная вентиляция - Википедия - Passive ventilation

Система вентиляции штатная земной корабль.

Домики для собак предназначены для обеспечения максимальной естественной вентиляции.

Пассивная вентиляция это процесс подачи и удаления воздуха из помещения без использования механические системы. Это относится к потоку наружного воздуха во внутреннее пространство в результате давление различия, возникающие из-за природных сил. Есть два типа натуральных вентиляция происходящие в зданиях: ветровая вентиляция и вентиляция, управляемая плавучестью. Вентиляция с приводом от ветра возникает из-за разного давления, создаваемого ветром вокруг здания или сооружения, а также за счет образования отверстий по периметру, которые затем пропускают поток через здание. Вентиляция, управляемая плавучестью, возникает в результате направленной выталкивающей силы, которая возникает из-за разницы температур внутри и снаружи.^[1] Поскольку приток тепла изнутри, создающий разницу температур между интерьером и экстерьером, создается естественными процессами, включая тепло от людей, а ветровые воздействия могут быть разными, здания с естественной вентиляцией иногда называют «дышащими зданиями».

Процесс

Статический давление воздуха представляет собой давление в свободно текущем воздушном потоке и обозначается изобары в карты погоды. Различия в статическом давлении возникают из-за общего и микроклимат тепловые явления и создают воздушный поток, который мы называем ветер. Динамическое давление это давление, оказываемое, когда ветер вступает в контакт с объектом, например холмом или зданием, и описывается следующим уравнением:^[2]

${ displaystyle q = { tfrac {1} {2}} , rho , v ^ {2},}$

где (используя SI единицы):

${ displaystyle q ;}$	= динамический давление в паскали,
${ Displaystyle rho ;}$	= жидкость плотность в кг / м3 (например. плотность воздуха ),
${ Displaystyle v ;}$	= жидкость скорость в м / с.

Воздействие ветра на здание влияет на вентиляцию и проникновение скорости через него и связанных с этим тепловых потерь или притока тепла. Скорость ветра увеличивается с высотой и уменьшается по направлению к земле из-за сопротивления трения.

Воздействие ветра на форму здания создает области положительного давления на наветренный сторона здания и отрицательное давление на подветренный и стороны здания. Таким образом, форма здания и местные особенности ветра имеют решающее значение для создания давления ветра, которое будет направлять поток воздуха через его отверстия. На практике давление ветра будет значительно варьироваться, создавая сложные воздушные потоки и турбулентность за счет взаимодействия с элементами окружающей среды (деревья, холмы) и городской средой (здания, сооружения). Местные и традиционные здания в разных климатических регионах в значительной степени полагаются на естественную вентиляцию для поддержания тепловой комфорт условия в закрытых помещениях.^{[нужна цитата ]}

Дизайн

Рекомендации по дизайну представлены в строительные нормы и другую связанную литературу и включают множество рекомендаций по многим конкретным областям, таким как:

• Расположение и ориентация здания
• Форма и размеры здания
• Внутренние перегородки и планировка
• Окно типологии, операции, расположение и формы
• Другие типы диафрагмы (двери, дымоходы )
• Методы строительства и детализация (инфильтрация)
• Внешние элементы (стены, ширмы)
• Городское планирование условия

Следующие рекомендации по дизайну выбраны из Руководство по проектированию всего здания, программа Национальный институт строительных наук:^[3]

• Обеспечьте максимальную ветровую вентиляцию, разместив конек здания перпендикулярно летним ветрам.
• Ширина зоны с естественной вентиляцией должна быть узкой (не более 13,7 м [45 футов]).
• В каждой комнате должно быть по два отдельных приточных и вытяжных отверстия. Расположите выхлопную систему высоко над входным отверстием, чтобы усилить эффект дымовой трубы. Сориентируйте окна по комнате и смещайте друг от друга, чтобы обеспечить максимальное перемешивание в комнате и минимизировать препятствия для воздушного потока внутри комнаты.
• Оконные проемы должны открываться жильцам.
• Рассмотрите возможность использования осветительных приборов или вентилируемых световых люков.

Ветровая вентиляция

Ветровую вентиляцию можно разделить на перекрестную и одностороннюю. Ветровая вентиляция зависит от поведения ветра, от взаимодействия с оболочкой здания и от отверстий или других воздухообменных устройств, таких как приточные или ветроуловители. Для простого объема с двумя отверстиями скорость бокового ветра можно рассчитать с помощью следующего уравнения:^[4]

${ displaystyle Q = U _ { textrm {wind}} { sqrt { frac {C _ { textrm {p1}} - C _ { textrm {p2}}} {1 / left (A _ { textrm {1 }} ^ {2} C _ { textrm {1}} ^ {2} right) + 1 / left (A _ { textrm {2}} ^ {2} C _ { textrm {2}} ^ {2 } right)}}} qquad {} left (1 right)}$

куда ${ displaystyle U _ { textrm {wind}}}$ - скорость ветра в дальней зоне; ${ displaystyle C _ { textrm {p1}}}$ - коэффициент сопротивления местного давления для здания, определяемый в месте расположения входного отверстия; ${ displaystyle C _ { textrm {p2}}}$ - коэффициент сопротивления местного давления для здания, определяемый в месте расположения выходного отверстия; ${ Displaystyle А _ { textrm {1}}}$ - площадь поперечного сечения входного отверстия; ${ Displaystyle А _ { textrm {2}}}$ - площадь поперечного сечения выходного отверстия; ${ displaystyle C _ { textrm {1}}}$ коэффициент расхода входного отверстия; и ${ displaystyle C _ { textrm {2}}}$ коэффициент расхода выходного отверстия.

Для помещений с одинарным открыванием расчет скорости вентиляции более сложен, чем перекрестной вентиляции, из-за двунаправленного потока и сильного турбулентного эффекта. Интенсивность вентиляции для односторонней вентиляции можно точно спрогнозировать, комбинируя различные модели для среднего потока, пульсирующего потока и проникновения вихрей.^[5]

Средняя скорость потока при односторонней вентиляции определяется как

${ displaystyle { bar {Q}} = { frac {C_ {d} ; l ; { sqrt {Cp}} ; int limits _ {z_ {0}} ^ {h} { sqrt {- { frac {2 ; Delta ; P (z)} { rho}}}} , mathrm {d} z} {z_ {ref} ^ {1/7}}} ; { bar {U}}}$

куда

л = ширина окна;

час = высота верхнего края окна;

z₀ = повышение нервного уровня (где баланс внутреннего и внешнего давления);

z_ссылка = исходная отметка, на которой измеряется скорость ветра (на высоте 10 м) и

${ displaystyle { bar {U}}}$ = средняя скорость ветра на исходной отметке.

Знание городской климатологии, то есть ветра вокруг зданий, имеет решающее значение при оценке качества воздуха и теплового комфорта внутри зданий, поскольку воздух и теплообмен зависят от давления ветра на фасады. Как видно из уравнения (1), воздухообмен линейно зависит от скорости ветра в городе, где будет построен архитектурный проект. CFD (Вычислительная гидродинамика ) инструменты и зональное моделирование обычно используются для проектирования зданий с естественной вентиляцией. Windcatchers могут способствовать ветровой вентиляции, направляя воздух внутрь и наружу.

Некоторые из важных ограничений ветровой вентиляции:

• Непредсказуемость и трудности в использовании из-за колебаний скорости и направления
• В качество воздуха вносит в здания, может быть загрязнен, например, из-за близости к городской или промышленной зоне
• Может создать сильный сквозняк, дискомфорт.

Вентиляция, управляемая плавучестью

(Более подробную информацию о вентиляции с вытеснительной плавучестью (а не о вентиляции с вытеснительной плавучестью) см. Эффект стека )

Вентиляция, управляемая плавучестью, возникает из-за разницы в плотности внутреннего и внешнего воздуха, которая в значительной степени возникает из-за разницы температур. Когда существует разница температур между двумя соседними объемами воздуха, более теплый воздух будет иметь меньшую плотность и более плавучий, поэтому будет подниматься над холодным воздухом, создавая восходящий воздушный поток. Принудительная вентиляция с восходящим потоком в здании происходит в традиционном камине. Пассивные вытяжные вентиляторы распространены в большинстве ванных комнат и других типах помещений без прямого выхода на улицу.

Чтобы здание вентилировалось надлежащим образом с помощью вытяжной вентиляции, температура внутри и снаружи должна быть разной. Когда внутри теплее, чем снаружи, воздух в помещении поднимается вверх и выходит из здания через более высокие отверстия. Если имеются более низкие отверстия, то через них в здание поступает более холодный и плотный воздух снаружи, создавая вытесняющую вентиляцию восходящего потока. Однако, если нет нижних отверстий, то и впускной, и выпускной поток будет происходить через отверстие высокого уровня. Это называется смешанной вентиляцией. Эта последняя стратегия по-прежнему приводит к тому, что свежий воздух достигает низкого уровня, поскольку, хотя входящий холодный воздух будет смешиваться с внутренним воздухом, он всегда будет более плотным, чем объемный внутренний воздух, и, следовательно, будет падать на пол. Вентиляция, управляемая плавучестью, увеличивается с увеличением разницы температур и увеличением высоты между верхним и нижним отверстиями в случае вытесняющей вентиляции. Когда присутствуют отверстия как верхнего, так и нижнего уровня, нейтральная плоскость в здании находится в месте между верхним и нижним отверстиями, в котором внутреннее давление будет таким же, как и внешнее давление (при отсутствии ветра). Выше нейтральной плоскости внутреннее давление воздуха будет положительным, и воздух будет выходить из любых созданных отверстий промежуточного уровня. Ниже нейтральной плоскости внутреннее давление воздуха будет отрицательным, и внешний воздух будет втягиваться в пространство через любые отверстия промежуточного уровня. Вентиляция, управляемая плавучестью, имеет несколько существенных преимуществ: {См. Linden, P Annu Rev Fluid Mech, 1999}

• Не полагается на ветер: может работать в тихие жаркие летние дни, когда это больше всего необходимо.
• Стабильный воздушный поток (по сравнению с ветром)
• Больше контроля при выборе зон забора воздуха
• Устойчивый метод

Ограничения вентиляции, управляемой плавучестью:

• Меньшая величина по сравнению с ветровой вентиляцией в самые ветреные дни
• Зависит от разницы температур (внутри / снаружи)
• Ограничения по конструкции (высота, расположение отверстий) и могут повлечь дополнительные расходы (вентиляционные трубы, более высокие помещения)
• Качество воздуха, которое он вводит в здания, может быть загрязненным, например, из-за близости к городской или промышленной зоне (хотя это также может быть фактором ветровой вентиляции).

Естественная вентиляция в зданиях может зависеть в основном от разницы в давлении ветра в ветреную погоду, но эффект плавучести может а) усилить этот тип вентиляции и б) обеспечить расход воздуха в тихие дни. Вентиляция, управляемая плавучестью, может быть реализована таким образом, чтобы приток воздуха в здание не зависел исключительно от направления ветра. В этом отношении он может улучшить качество воздуха в некоторых типах загрязненных сред, например в городах. Например, воздух можно втягивать через заднюю часть или дворы зданий, избегая прямого загрязнения и шума уличного фасада. Ветер может усиливать эффект плавучести, но также может уменьшать его влияние в зависимости от его скорости, направления и конструкции воздухозаборников и выходов. Следовательно, при проектировании вытяжной вентиляции необходимо учитывать преобладающие ветры.

Оценка вентиляции, управляемой плавучестью

Скорость потока естественной вентиляции для естественной вентиляции, управляемой плавучестью, с вентиляционными отверстиями на двух разных высотах, можно оценить с помощью этого уравнения:^[4]

${ Displaystyle Q_ {S} = C_ {d} ; A ; { sqrt {2 ; g ; H_ {d} ; { frac {T_ {I} -T_ {O}} {T_ { Я}}}}}}$

Английские единицы:

куда:
QS	= Скорость потока воздуха при вентиляции, управляемой плавучестью, фут3 / с
А	= площадь поперечного сечения отверстия, фут² (предполагается равная площадь для входа и выхода)
Cd	= Коэффициент расхода для открытия (типичное значение 0,65)
грамм	= гравитационное ускорение, около 32,2 фут / с² на Земле
ЧАСd	= Высота от середины нижнего проема до середины верхнего проема, футы
Тя	= Средняя температура в помещении между входом и выходом, ° R
ТО	= Наружная температура, ° R

Единицы СИ:

куда:
QS	= Расход воздуха при вентиляции, управляемой плавучестью, м³ / с
А	= площадь сечения проема, м2 (предполагает равную площадь входа и выхода)
Cd	= Коэффициент расхода для открытия (типичное значение 0,62)
грамм	= гравитационное ускорение, около 9,81 м / с² на Земле
ЧАСd	= Высота от середины нижнего проема до середины верхнего проема, м
Тя	= Средняя температура в помещении между входом и выходом, K
ТО	= Наружная температура, K

Оценка производительности

Один из способов измерить эффективность естественно вентилируемого помещения - это измерить воздухообмен в час во внутреннем пространстве. Чтобы вентиляция была эффективной, должен происходить обмен между наружным воздухом и воздухом в помещении. Распространенным методом измерения эффективности вентиляции является использование индикаторный газ.^[6] Первый шаг - закрыть все окна, двери и проемы в помещении. Затем в воздух добавляют индикаторный газ. Ссылка, Американское общество испытаний и материалов (ASTM) Стандарт E741: Стандартный метод испытаний для определения изменения воздуха в отдельной зоне с помощью разбавления индикаторного газа, описывает, какие индикаторные газы могут использоваться для этого типа испытаний, и предоставляет информацию о химических свойствах, влиянии на здоровье и простоте обнаружения.^[7] После добавления индикаторного газа можно использовать смесительные вентиляторы для максимально равномерного распределения индикаторного газа по всему пространству. Для проведения теста на распад сначала измеряется концентрация индикаторного газа, когда концентрация индикаторного газа остается постоянной. Затем открываются окна и двери, и концентрация индикаторного газа в помещении измеряется через регулярные промежутки времени, чтобы определить скорость распада индикаторного газа. Расход воздуха можно определить, посмотрев на изменение концентрации индикаторного газа во времени. Дополнительные сведения об этом методе испытаний см. В стандарте ASTM E741.^[7]

Хотя естественная вентиляция исключает потребление электроэнергии вентиляторами, общее энергопотребление систем естественной вентиляции часто выше, чем у современных систем механической вентиляции с рекуперация тепла. В типичных современных системах механической вентиляции для работы вентилятора используется всего 2000 Дж / м3, а в холодную погоду они могут рекуперировать гораздо больше энергии в виде тепла, передаваемого от отработанного отработанного воздуха к свежему приточному воздуху. рекуператоры.

Потери тепла вентиляцией можно рассчитать как: theta = Cp * rho * dT * (1-eta).

Где:

Theta - тепловые потери вентиляции, Вт

Cp - удельная теплоемкость воздуха (~ 1000 Дж / (кг * K))

Rho - плотность воздуха (~ 1,2 кг / м3)

dT - разница температур между внутренним и внешним воздухом в ° K или ° C.

Eta - это эффективность рекуперации тепла (обычно около 0,8 с рекуперацией тепла и 0, если устройство рекуперации тепла не используется).

Таким образом, разница температур между внутренним и наружным воздухом для механической вентиляции с рекуперацией тепла, чтобы превзойти естественную вентиляцию с точки зрения общей энергоэффективности, может быть рассчитана как:

dT = SFP / (Cp * Rho * (1-эта))

Где:

SFP - удельная мощность вентилятора в Па, Дж / м ^ 3 или Вт / (м ^ 3 / с).

В типичных условиях комфортной вентиляции с эффективностью рекуперации тепла 80% и SFP 2000 Дж / м3 мы получаем:

dT = 2000 / (1000 * 1,2 * (1-0,8)) = 8,33 К

Поэтому в климате, где средняя абсолютная разница между внутренней и внешней температурами превышает ~ 10K, аргумент в пользу экономии энергии в пользу естественной вентиляции вместо механической может быть поставлен под сомнение. Однако следует отметить, что тепловая энергия может быть дешевле и экологичнее, чем электричество. Это особенно верно в тех областях, где районное отопление доступен.

Чтобы разработать системы естественной вентиляции с рекуперацией тепла, сначала необходимо решить две неотъемлемые проблемы:

1. Обеспечивает эффективную рекуперацию тепла при очень низком рабочем давлении.
2. Физически или термически соединяющие потоки приточного и вытяжного воздуха. (Для вытяжной вентиляции обычно используются приточные и вытяжные устройства, расположенные соответственно низко и высоко, в то время как естественная ветровая вентиляция обычно предполагает размещение отверстий на противоположных сторонах здания для эффективной поперечной вентиляции.)

Исследования, направленные на разработку систем естественной вентиляции с рекуперацией тепла, были проведены еще в 1993 году, когда Shultz et al.^[8] предложили и протестировали конструкцию дымоходного типа, основанную на эффекте дымовой трубы при рекуперации тепла с использованием большого противоточного рекуператора, изготовленного из гофрированного оцинкованного железа. Как приток, так и вытяжка происходили через некондиционированное чердак, при этом вытяжной воздух выводился на высоте потолка, а воздух подавался на уровне пола через вертикальный воздуховод.

Было обнаружено, что устройство обеспечивает достаточный приток воздуха для вентиляции дома на одну семью и рекуперацию тепла с эффективностью около 40%. Однако было обнаружено, что устройство было слишком большим и тяжелым, чтобы его можно было использовать на практике, а эффективность рекуперации тепла слишком низкой, чтобы конкурировать с механическими системами того времени.^[8]

Более поздние попытки в первую очередь были сосредоточены на ветре как на основной движущей силе из-за его более высокого потенциала давления. Однако при этом возникает проблема больших колебаний управляющего давления.

При использовании ветряных башен, размещаемых на крыше вентилируемых помещений, приточная и вытяжная могут быть размещены близко друг к другу на противоположных сторонах небольших башен.^[9] Эти системы часто имеют ребристые тепловые трубы хотя это ограничивает теоретическую максимальную эффективность рекуперации тепла.^[10]

Гидравлические контуры обкатки также были протестированы для достижения непрямого теплового соединения между отработанным и приточным воздухом. Хотя эти испытания были в некоторой степени успешными, жидкостная муфта представляет собой механические насосы, которые потребляют энергию для циркуляции рабочей жидкости.^[11][12]

Хотя некоторые коммерчески доступные решения доступны уже много лет,^[13][14] заявленные производителями характеристики еще не подтверждены независимыми научными исследованиями. Этим можно объяснить очевидное отсутствие рыночного влияния этих коммерчески доступных продуктов, заявляющих о естественной вентиляции и высокой эффективности рекуперации тепла.

Радикально новый подход к естественной вентиляции с рекуперацией тепла в настоящее время разрабатывается в Орхусском университете, где теплообменные трубы интегрируются в конструкционные бетонные плиты между этажами зданий.^[15]

Хотя некоторые коммерчески доступные решения доступны уже много лет,^[13][14] заявленные производителями характеристики еще не подтверждены независимыми научными исследованиями. Этим можно объяснить очевидное отсутствие рыночного влияния этих коммерчески доступных продуктов, заявляющих о естественной вентиляции и высокой эффективности рекуперации тепла.

Стандарты

Стандарты, касающиеся скорости вентиляции, в США см. ASHRAE Стандарт 62.1-2010: Вентиляция для допустимых Качество воздуха в помещении.^[16] Эти требования распространяются на «все помещения, предназначенные для проживания людей, за исключением тех, которые находятся в односемейных домах, многоквартирных домах высотой в три или менее этажей, транспортных средствах и самолетах».^[16] В редакции стандарта в 2010 году раздел 6.4 был изменен, чтобы указать, что большинство зданий, спроектированных с системами для естественного кондиционирования помещений, должны также «включать систему механической вентиляции, разработанную для соответствия процедурам скорости вентиляции или качества воздуха в помещении [в ASHRAE 62.1-2010] . Механическая система должна использоваться, когда окна закрыты из-за чрезмерного шума наружного воздуха и соображений безопасности ".^[16] Стандарт гласит, что два исключения, в которых естественно кондиционированные здания не требуют механических систем, - это когда:

• Отверстия для естественной вентиляции, соответствующие требованиям Раздела 6.4, открыты постоянно или имеют средства управления, предотвращающие закрытие отверстий в период предполагаемого пребывания в помещении, или
• Зона не обслуживается ни нагревательным, ни охлаждающим оборудованием.

Кроме того, компетентный орган может разрешить проектирование системы кондиционирования, которая не имеет механической системы, но полагается только на естественные системы.^[16] Что касается того, как должны разрабатываться средства управления системами кондиционирования, в стандарте указывается, что они должны учитывать меры по «правильной координации работы систем естественной и механической вентиляции».^[16]

Еще одна ссылка - стандарт ASHRAE 62.2-2010: Вентиляция и приемлемое качество воздуха в помещении в малоэтажный Жилые дома.^[17] Эти требования относятся к «односемейным домам и многоквартирным домам высотой в три этажа или меньше, включая промышленные и модульные дома», но не применяются «к временному жилью, например, гостиницам, мотелям, домам престарелых, общежитиям или тюрьмам».^[17]

Стандарты, касающиеся скорости вентиляции, в США см. ASHRAE Стандарт 55-2010: Тепловые условия окружающей среды для проживания человека.^[18] На протяжении всех изменений его объем соответствовал сформулированной в настоящее время цели: «указать сочетание факторов тепловой среды внутри помещения и личных факторов, которые будут создавать условия тепловой среды, приемлемые для большинства людей, находящихся в помещении».^[18] Стандарт был пересмотрен в 2004 году после результатов полевых исследований исследовательского проекта ASHRAE, RP-884: разработка адаптивной модели теплового комфорта и предпочтений, показавших, что существуют различия между естественно и механически кондиционируемыми помещениями в отношении тепловой реакции людей, изменения в одежда, доступность управления и изменения ожиданий пассажиров.^[19] В дополнении к стандарту 5.3: Дополнительный метод определения допустимых тепловых условий в естественно вентилируемых помещениях используется адаптивный тепловой комфорт подход для естественно кондиционируемых зданий путем определения приемлемых рабочих температурных диапазонов для естественно кондиционируемых помещений.^[18] В результате разработка систем естественной вентиляции стала более осуществимой, что было признано ASHRAE как способ дальнейшего устойчивого, энергоэффективного и удобного для людей дизайна.^[18]

Смотрите также

Рекомендации

внешняя ссылка

Университетские исследовательские центры, которые в настоящее время проводят исследования естественной вентиляции:

1. Центр искусственной среды (CBE), Калифорнийский университет, Беркли. http://www.cbe.berkeley.edu/
2. Национальная лаборатория Лоуренса Беркли, Беркли, Калифорния. http://www.lbl.gov/
3. Департамент архитектуры Массачусетского технологического института. http://architecture.mit.edu/building-technology/program/research-topics
4. Факультет архитектуры, дизайна и планирования, Сиднейский университет, Австралия. https://web.archive.org/web/20111107120122/http://sydney.edu.au/architecture/research/research_archdessci.shtml

Рекомендации по естественной вентиляции:

1. Руководство по проектированию всего здания, Национальный институт строительных наук http://www.wbdg.org/resources/naturalventilation.php
2. «Естественная вентиляция для инфекционного контроля в медицинских учреждениях», отчет (включая рекомендации по разработке) Всемирная организация здоровья для медицинских учреждений с естественной вентиляцией.http://whqlibdoc.who.int/publications/2009/9789241547857_eng.pdf