1. Естественная вентиляция

В зависимости от физических явлений, обеспечивающих воздухообмен между производственным помещением и наружной атмосферой, различают естественную и механическую вентиляцию. Воздухообмен при естественной вентиляции происходит вследствие разности температур воздуха в производственном помещении и наружного воздуха, а также в результате действия ветра.

Разность температур воздуха внутри (более высокая температура) и снаружи помещения, а, следовательно, и разность плотностей воздуха вызывают поступление холодного воздуха в производственное помещение и вытеснение из него теплого воздуха. При ветре с заветренной стороны здания создается пониженное давление, вследствие чего происходит вытяжка теплого или загрязненного воздуха из помещения, а с наветренной стороны здания создается избыточное давление, за счет которого наружный воздух поступает в помещение на смену вытягиваемому воздуху.

Естественная вентиляция бывает неорганизованной и организованной. Неорганизованная естественная вентиляция помещений (инфильтрация) осуществляется через неплотности конструкций, а также через форточки, окна, открываемые без всякой системы.

Естественная вентиляция считается организованной, если направление воздушных потоков и воздухообмен регулируются с помощью специальных устройств. Систему организованного естественного воздухообмена называют аэрацией.

Аэрацию осуществляют в холодных цехах за счет ветрового давления (напора), а в горячих – за счет совместного или раздельного действия гравитационного и ветрового давлений. Аэрацию осуществляют следующим образом (рис. 5.1).

В производственном здании, оборудованном тремя оконными проемами (1–3), в летнее время открываются проемы 1 и 3. Свежий воздух поступает в помещение через нижние проемы 1, располагаемые на высоте 1…1,5 м от пола, а удаляется через проемы 3 в аэрационном фонаре здания.

4 4

3 3 3 3

2 2

1 1

а) б)

Рис. 5.1 Схема аэрации зданий за счет разной плотности воздуха: а) – в теплый период года; б) – в холодный период года; 1, 2, 3 – оконные проемы; 4 – аэрационный фонарь.

Поступление наружного воздуха в зимнее время осуществляется через проемы 2, расположенные на высоте 4–7 м от пола, чтобы холодный наружный воздух, опускаясь до рабочей зоны, успел нагреться за счет перемешивания с теплым воздухом помещения.

При расчете аэрации определяется площадь верхних и нижних вытяжных проемов. Вначале задаются площадью нижних проемов. Приводится схема аэрации помещения. В зависимости от площади открытия верхних вытяжных и нижних приточных фрамуг в помещении устанавливается уровень равных давлений (примерно посередине высоты здания). Давление в этой плоскости равно нулю. Следовательно, на уровне центра нижних проемов создается давление, обуславливающее поступление наружного воздуха:

ΔH₁ = h₁ (γ_н – γ_ср.п)

где

h₁ – расстояние от середины нижних отверстий до плоскости равных давлений, м;

γ_ср.п – средняя плотность воздуха в помещении, кг/м³, соответствующая средней температуре воздуха в помещении:

t_{ср. п.} = (t_р.з + t_ух)/2

где

t_р.з и t_ух – температуры воздуха в рабочей зоне и воздуха, уходящего из помещения.

Выше плоскости равных давлений существует избыточное давление, которое на уровне центра верхних отверстий составляет:

ΔH₂ = h₂ (γ_н – γ_{ср п.})

где:

h₂ – расстояние от плоскости равных давлений до центра верхних отверстий, м.

Это давление направлено наружу цеха и вызывает вытяжку. Общая величина гравитационного давления, под влиянием которого происходит воздухообмен в помещении, равна сумме давлений на уровне нижних и верхних проёмов:

H = ΔH₁ + ΔH₂ = h (γ_н – γ_ср.п)

Величина Н – сумма давлений на уровне нижних и верхних проёмов называется тепловым напором. Она зависит от расстояния между нижними и верхними проёмами и разности объёмного веса воздуха снаружи и внутри здания.

Определяем скорость воздуха в нижних проемах, м/с:

где

– необходимый воздухообмен, м³/ч;

– коэффициент расхода, зависящий от конструкции створок и угла их открытия (для створок, открытых на 90°, μ=0,6; на 30° – μ=0,32);

– площадь нижних проемов, м².

Далее определяем потери давления, Па, в нижних проемах:

Определяем H, принимая температуру уходящего воздуха и определяем плотности γ_н, γ_срп, соответствующие температурам t_ср.п, t_н. Находим избыточное давление в плоскости верхних вытяжных проемов:

Конечной целью расчета аэрации является определение площади проемов, обеспечивающих требуемый воздухообмен, м²:

С целью создания в цехах дополнительного разрежения за счет движения ветра на крышах устанавливают светоаэрационные фонари. При обдуве фонаря над ним и за ним создаются зоны отрицательного давления, способствующие вытяжке воздуха из цеха. Для наиболее эффективной работы фонарей производственные здания при застройке располагают продольной стороной под углом, близким к 90⁰ по отношению к господствующему отношению ветра.

Следует подчеркнуть, что открытие створок фонаря на наветренной стороне может привести к задуванию воздуха через фонарь и "опрокидыванию вентиляции". В этом случае потоки наружного воздуха, загрязненные пылью и газами, будут проникать в здание и достигать рабочей зоны, нарушая нормальные метеорологические условия на рабочих местах.

Для исключения таких явлений аэрационные фонари снабжают с наветренной стороны ветроотбойными щитами и парапетами. Парапеты устанавливают по периметру крыши, и они не затемняют световые проемы фонарей.

Разработаны также конструкции специальных незадуваемых фонарей, они работают на вытяжку при любом направлении ветра (кроме продольного).

Преимуществом аэрации является то, что большие объемы воздуха (до нескольких миллионов кубических метров в час) подаются и удаляются без применения вентиляторов и воздуховодов. Как следствие этого, система аэрации значительно дешевле механических систем вентиляции; она является мощным средством для борьбы с избыточными тепловыделениями в горячих цехах.

Наряду с достоинствами, аэрация обладает существенными недостатками, а именно: в летнее время эффективность аэрации может существенно падать вследствие повышения температуры наружного воздуха, особенно в безветренную погоду.

Вследствие незначительности давления радиус действия систем естественной вентиляции невелик. Эти системы просты по устройству, но их работа определяется неустойчивыми факторами: температурой воздуха, направлением и силой ветра. Особенно это наблюдается при неорганизованной вентиляции (через неплотности в ограждениях) и меньше при организованной (по каналам, шахтам и через открываемые наружные проемы окон, фонарей, ворот - аэрация). Кроме того, при естественной вентиляции нет возможности обработать воздух (подогреть, увлажнить, охладить, очистить), а также подать его к рабочим местам.

Вытяжные шкафы и дефлекторы. Для удаления перегретого или загрязненного воздуха из помещений малого объема, а также для создания вытяжки от местных вентиляционных устройств применяются вытяжные шахты. Действие последних основано на использовании теплового давления, возникающего за счет разности температур нагретого и холодного воздуха. Шахты часто бывают соединены непосредственно с местными отсосами тепловыделяющего оборудования (вытяжные зонты, укрытия, шкафы и т.п.). Для увеличения вытяжки за счет разрежения, создаваемого ветром, верхняя часть шахты иногда снабжается специальным оголовком. Такие устройства получили название дефлекторов. Наибольшее распространение получили дефлекторы ЦАГИ круглого и квадратного поперечного сечений. Круглый дефлектор ЦАГИ приведен на рисунке 5.2.

Он стоит из диффузора 1, верхнюю часть которого охватывает цилиндрическая обечайка 2. Колпак 3 служит для защиты от попадания атмосферных осадков в патрубках 5, а конус 4 – для предохранения от задувания ветром внутрь дефлектора. Ветер, обдувая обечайку дефлектора, создает на большей части его окружности разрежение, вследствие чего воздух из помещения по воздуховоду и патрубку 5 выходит наружу через две кольцевые щели между обечайкой 2 и краями колпака 3 и корпуса 4. Эффективность работы дефлекторов зависит от скорости ветра, а также от высоты установки их над коньком крыши (рис. 5.3).

Рис. 5.2 Схема дефлектора типа ЦАГИ

Рис. 5.3 Расположение дефлекторов: 1 – правильно; 2, 3 – неправильно

Расчет дефлекторов производится в следующем порядке. Вначале определяют величину общего разрежения в дефлекторе , представляющего сумму теплового и ветрового разрежений:

Затем находят скорость воздуха в трубе дефлектора: где - плотность воздуха в дефлекторе, кг/м³:

При известном объеме воздуха L, подлежащего удалению из помещения, требуемый диаметр дефлектора:

Более точно дефлектор может быть подобран, используя графики на рис., построенные для трех случаев: с учетом действия ветра (а), гравитационного давления (б) и при их совместном действии (в).

Диаметры патрубков дефлекторов обычно составляют от 0,2 до 1,0 м.