ОРГАНИЗАЦИЯ ПРИТОЧНОГО ВОЗДУХА С ПОМОЩЬЮ ЭФФЕКТИВНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛА ГРУНТА

​ORGANIZATION OF SUPPLY AIR THROUGH EFFICIENT USE OF GROUND HEAT

Anastasia Mudryakova

master's student, Department of Industrial Heat Power Engineering, Smolensk Branch of the Moscow Power Engineering Institute (National Research University),

Russia. Smolensk

Irina Kabanova

scientific supervisor, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Smolensk Branch of the Moscow Power Engineering Institute (National Research University),

Russia. Smolensk

АННОТАЦИЯ

Зачастую, не всегда удается поддержание комфортного и здорового микроклимата в помещениях из-за плохо организованного воздухообмена.  Воздух постоянно загрязняется, повышается температура и содержание водяных паров в помещении. Таким образом, актуальной задачей при строительстве жилых зданий является проектирование системы вентиляции, выполняющей ряд важных функций, среди которых можно выделить обеспечение необходимого свежего воздуха в помещении, удаление излишков тепла и влаги, а также удаление отработанного воздуха из здания. В рамках исследования была выполнена оценка эффективности применения системы вентиляции с подготовкой приточного воздуха в подземных вентиляционных каналах с насадками для двух периодов: теплого и холодного.

ABSTRACT

Often, it is not always possible to maintain a comfortable and healthy indoor climate due to poorly organized air exchange. The air is constantly polluted, and the temperature and water vapor content in the room are rising. Thus, an urgent task in the construction of residential buildings is the design of a ventilation system that performs a number of important functions, including providing the necessary fresh air in the room, removing excess heat and moisture, and removing exhaust air from the building. The study assessed the effectiveness of using a ventilation system with supply air preparation in underground ventilation ducts with nozzles for two periods: warm and cold.

Ключевые слова: вентиляция, теплота грунта, микроклимат в помещении, приточный воздух.

Keywords: ventilation, ground heat, indoor microclimate, supply air.

Самым простым способом вентиляции является система вентиляции с естественной тягой. Главным недостатком данной системы является ее ограниченная управляемость. Кроме того, возможна вероятность образования обратной тяги при сильном ветре. За счет разницы температур, зимой система работает очень эффективно, иногда даже с избытком, удаляя драгоценное тепло из дома. А в летний период эффективность ее значительно падает, поскольку температурные показатели в помещении и на улице практически не различаются. Несмотря на это, естественная система имеет преимущества: не шумит в отличие от механической, ей не нужны электроснабжение, обслуживание и ремонт, ее организация в частном доме не требует больших затрат.

Однако если естественная система вентиляции не обладает способностью поддерживать нормируемый микроклимат в помещениях, то ее необходимо заменить на принудительную вентиляцию. В таком случае воздух циркулирует по помещению с помощью специальных механических устройств. Такой вариант более эффективен, но энергозависим.

В случае организации механической приточной вентиляции одним из способов энергосбережения является использование геотермальной системы вентиляции. Эта технология, которая не требует больших капиталовложений в рамках строительства частных домов, зато в дальнейшем позволяет значительно сэкономить на эксплуатационных расходах.

Данная система представляет собой обычную систему канальной приточной вентиляции с размещенными под землей воздуховодами. Приточный воздух, проходя круглосуточно по подземному каналу, имеет возможность охлаждаться в теплый период и подогреваться в холодный период.

Величина подогрева определяется разницей температур грунта и воздуха, условиями теплообмена в каналах и теплофизическими характеристиками грунта, продолжительностью периода использования грунта. Основным преимуществом подземного воздуховода является существенное снижение энергозатрат на предварительную подготовку приточного воздуха перед подачей его в помещение.  Недостатком геотермальной системы выступает некоторая сложность конструкции, которая приводит к увеличению капитальных затрат, например, на достаточно протяженную трассу или мощные вентиляторы. Но несмотря на некоторые сложности при строительстве подземных воздуховодов, целесообразно потратится при прокладке, зато на протяжении всего срока эксплуатации вентиляционной системы пользоваться энергосберегающей технологией.

Таким образом, использования теплоты грунта для подготовки приточного воздуха возможно при помощи подземных вентиляционных каналов с неподвижными насадками из твердых тел. В таком случае насадки позволяют усилить процесс теплообмена и повысить способность к хладоаккумуляции.

Кроме того, поземные вентиляционные каналы, уложенные на глубину ниже глубины промерзания грунта, позволяют в холодный период года нагревать воздух за счет тепла грунта. Таким образом снижаются экономические затраты на нагрев вентиляционного воздуха в подогревателях. В первую очередь расчет вдут для теплого периода, поскольку летом объем подаваемого воздуха выше, чем зимой так как разность влагосодержания внутреннего воздуха и наружного воздуха значительно ниже.

В данной работе выполнена оценка эффективности применения системы вентиляции с подготовкой приточного воздуха в подземных вентиляционных каналах с насадками для двух периодов: теплого и холодного.

Объектом для расчета является частный дом с размерами 14,9х17,3х6,5 м, вместимостью 10 человека. Район строительства – город Краснодар. Параметры наружного воздуха для данной климатической зоны определяем по [2]. Среднегодовая температура грунта t_гр=12,6 ͦ С.

Параметры наружного воздуха: в теплый период – t_н=28 ͦ С; I_н=57 кДж/кг; в холодный период – t_н= -15 ͦ С_; φ_н=72%. Параметры внутреннего воздуха: в теплый период – t_в=25 ͦ С; φ_в=50%; в холодный период – t_в=20 ͦ С и φ_в≤60%.

По методике, изложенной в [1] предварительно определяем величину углового коэффициента луча процесса. Угловой коэффициент луча процесса определяем по формуле:   где  – общие избытки полной теплоты, соответственно в теплый и холодный период Вт;  – влаговыделения, кг/ч.

Для расчета вентиляционного канала необходимо задаться предполагаемым снижением температуры наружного воздуха. После чего, с помощью H-d диаграммы определяем расчетное количество приточного воздуха в теплый период года (рис.1). Массовый расход по избыткам теплоты:   Массовый расход по влаговыделениям:   За расчетный принимаем больший из расходов.  L=3300 м³/ч.

Далее по справочным данным подбираем насадку: материал насадки – булыжник; диаметр – 0,2 м; длина – 3 м; скорость движения воздуха – 0,25 м/с; охлаждающая способность – 3 ͦ С.

Величина снижения температуры воздуха в канале определяется по формуле:  Действительное полное снижение температуры приточного воздуха в канале с насадкой рассчитываем по формуле: .

Рисунок 1. H-d – диаграмма влажного воздуха

Результаты, полученные в процессе расчета сведены в таблице 1.

Таблица 1

Результаты расчета и подбора подземного канала с насадкой.

Предположим, что данный канал будет использоваться и в холодный период года, для подогрева приточного воздуха. Как известно, существует два варианта подготовки приточного воздуха для вентиляции дома с рециркуляцией. В первом случае сначала происходит смешивание наружного воздуха с рециркуляционным, а уже после полученная смесь подогревается в калориферах и подается помещение. Во втором случае наружный воздух сперва подогревается в калориферах, и после уже смешивается с рециркуляционным воздухом, полученный приточный воздух подается в помещение.

Из расчета 20 м³/ч на одного проживающего в доме минимальный расход наружного воздуха по санитарным нормам составляет: L_Н=20·10=200 м³/ч=240 кг/ч. Рециркуляция в расчетном помещении возможна.

Таким образом, на H-d диаграмме (рис.1) строим процесс обработки воздуха в холодный период года с использованием второго варианта подготовки приточного воздуха для вентиляции, пользуясь методикой из [1]. Воздухообмен в доме зимой принимаем, как и в теплый период года L=3300 м³/ч. Расход наружного воздуха принимаем по санитарным нормам:  По H-d диаграмме параметры приточного воздуха (т.П): , ;  параметры внутреннего воздуха (т. В): , . Воздух необходимо доувлажнять, например, с помощью модульных установок распылительного типа. Такие устройства разбивают воду на мелкие капли, которые быстро испаряются, поглощая тепло из окружающего воздуха.  Расход теплоты для нагревания воздуха в калорифере: .

Исходя из этого, расход теплоты на нагревание воздуха в калорифере без применения вентиляционного канала:  Вт; с использованием вентиляционного канала:  Вт.

Таким образом вентиляционный канал, проложенный в грунтовом массиве на глубине 1,5-2 м от поверхности земли имеет большой потенциал с точки зрения пассивного использования грунтового тепла для частичного подогрева наружного вентиляционного воздуха в зимний период и для снижения температуры приточного воздуха в летнее время.

На основе проведенных расчетов можно сказать, что в теплый период года использование подземных каналов с насадками для охлаждения приточного воздуха целесообразно для южных районов строительства, с достаточно высокими параметрами наружного воздуха и среднегодовой температурой грунта t_гр≤13 ͦ С. Поэтому был выбран город Краснодар, поскольку для нашего города Смоленска применение в летний период подземного канала не актуально, если только в некоторые дни, но это экономически не обосновано, с точки зрения капитальных затрат. Применение подобранного вентиляционного канала с насадкой с охлаждающей способностью 8 ͦ С в холодный период года, позволяет для расчетного города снизить нагрузку на калорифер практически в два раза.

Список литературы:

1. Примеры расчетов вентиляции общественного здания. Пособие к курсовому проекту для студентов 4 курса специальности 290700 / Сост.: В.Н. Посохин, Р.Г. Сафиуллин. Казань: КГАСУ, 2010. – 43 с.
2. СП 131.13330.2020 Строительная климатология. Актуализированная редакция СНиП 2021-06-25.
3. Теплоснабжение и вентиляция. Курсовое и дипломное проектирование. /Под ред. проф. Б.М. Хрусталева – М.: Изд-во АСВ, 2008. – 784 с., 183 ил.