Вентиляция «по нормам»- это благо или зло?
Предыдущая статья про замену радиаторов отопления в квартире оказалась принята читателями на ХАБРе с большим интересом.
В развитие успеха предлагаю рассмотреть не менее животрепещущую тему в нашей жизни, а именно:
Вентиляция в жилых и офисных помещениях
Всем известно, что без дыхания человек жить не может. Остановка снабжения кислородом мозга всего на 6 минут приводит к необратимым повреждениям мозга. Человек может выжить и после 6 минут кислородного голодания мозга, но память при этом он потеряет, оставшись в состояние живой, но неразумной куклы.
Таким образом, система вентиляции помещений для обеспечения притока свежего воздуха с кислородом для нашего организма‑ это обязательное устройства в любом закрытом помещении с присутствием людей.
Квартиры и дома, офисы и заводы‑ это всё «закрытые помещения с присутствием людей». Значит, в них всех должны быть системы вентиляции. И эти системы должны обеспечивать выполнение каких‑то нормативов, прописанных в каких‑то регулирующих документах. И такие документы действительно есть, причём во всех развитых странах.
В России эти нормы имеют разные названия: «Строительные правила» (СП), «Санитарные правила и нормы» (СанПиН) и «Строительные нормы и правила» (СНиП).
В отношении вентиляции эти нормы выдвигают различные требования.
Ниже приведена обязательная таблица со значениями из самого свежего норматива СП 60.1З3З0.2020 «СНиП 41012003 Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха».
Занятно, что в названии СП упоминается старое историческое ещё советское наименование СНиП с одноименным названием. Предыдущая редакция СП датировалась 2016 годом, а до того была редакция от 2012 года.
То есть нормативы достаточно часто обновляются. Но при этом цифры расхода воздуха из ниже приведённой таблицы не менялись ещё со времён СССР.
Рис. 1
Рис. 1. Страница из действующего СП60.1З3З0.2020 «СНиП 41012003 Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха» с таблицей норм расходов воздуха по людям и помещениям.
Такое стабильно поддержание основных параметров по вентиляции в нормативе требует какого‑то разумного объяснения. И это объяснение я попытаюсь найти самостоятельно, так как ни в одном из нормативов его явным образом не прописывают.
Вентиляция по нормативам — это навязанное зло из времён СССР, с забытым физическим смыслом.
Разовью эту мысль на пару страниц.
СНиП по ОВиК тащит нам из времён СССР норму по вентиляции 60 или 20 м3/ч на человека. При этом в этом СНиП нет никакого разумного объяснения для этих цифр.
Простейший анализ показывает, что эти две цифры связаны с физиологией человека.
1. Углекислый газ
Первое, что приходит в голову‑ это углекислый газ, который мы выдыхаем. Его нужно удалять вместе с воздухом на вытяжку, замещая новым чистым и свежим воздухом с улицы.
А какое количество углекислого газа человек выдыхает?
На этот вопрос мы попытаемся найти расчётный ответ в границах школьного курса биологии, химии и физики.
Так общеизвестной нормой потребления еды по калорийности является значение 2400ккал/день.
Для перевода в систему СИ (Дж, м, с) необходимо «килокалории» пересчитать в Джоули.
Для этого надо умножит значение в «ккал» на теплоёмкость воды 4,19 кДж/кг.
Именно по нагреву 1 грамма (килограмма) воды на 1С определяют энергетическую ценность «калории» («килокалории»).
Едн= 2400×4,19= 10056 кДж/день
Рис. 2
Рис. 2 Нормы калорийности дневного рациона для людей с различным типом труда и возраста.
Если перевести эту энергию в мощность то получим:
Nср=Едн /(3600×24)=10056/(3600×24)= 0,116кВт
Из таблицы «суточных рационов» видно, что отличия в энергозатратах «сидяцих» и «активных» работников отличаются всего в 2700/2400=1,125 раза или на 12,5%. То есть в борьбе с избыточным весом гораздо легче снизить количество съедаемого до разумной нормы в 2400ккал/день, чем пытаться физкультурой перереаботать излишне съеденное.
Так один час физкультуры увеличит нагрузку на метаболизм всего в 2 раза или менее, что соответствует ускорению пульса в 2раза или менее.
У спортсменов пульс может повышаться до 4 раз. Вот только в спокойном состоянии у них пульс бывает аномально медленным на уровне 45–50 ударов в минуту, чтобы повышение в 4 раза не выводило серцебиение выше допустимых 160–180 ударов в минуту.
Если вы замеряете свой пульс покое, то можете узнать возможную кратность форсирования своего организма под нагрузкой просто поделив предельный пульс 160 на посчитаные удары в покое.
То есть спортсмены способны выдавать вместо обычных 150 Вт до 600 Вт в режиме соревнования.
Отдельные виды спортсменов способны выдавать непрерывную мощность до 1000Вт в течении 1 часа и более. К таким видам спортсменов относятся велосипедисты‑ шоссейники, которые способны по несколько часов участвовать в велогонках с запредельными нагрузками.
Что до мощности в 1кВт, то именно под такую мощность расчитаны сверхлёгкие самолёты‑мускулолёты.
Именно с такой мощностью в 1 кВт один рекордный мускулолёт «Дедалус-88» совершил перелёт с острова Кипр до Турции, находясь в полёте почти 4 часа. На педалях этого мускулолёта в полёте работал профессиональный велосипедист — победитель в мировом чемпионате по шоссейным гонкам.
Он совершил перелет протяженностью 115 километров 110 метров, пролетев по маршруту Дедала — с острова Крит на материк. Полет занял у него 3 часа 54 минуты 59 секунд.
Рис. 3-А
Рис. 3-Б
Рис. 3. Фото мускулолёта.
В ночное время организм снижает свой метаболизм приблизительно до величины 2/3 от дневного уровня.
Сон длится 8 часов и 16 часов бодрствования, тогда дневная мощность будет составлят Nд= Nн*3/2
Общий баланс за день Едн= Nср*24= Nд*16+ Nн*8 = 16*Nн*3/2+8*Nн
Откуда получаем:
Nср*24=Nн*(16×3/2+8)= Nн*32
Nн= Nср*24/32= Nср*¾=0,75* Nср=0,75×116 Вт= 87 Вт
Nдн=Nн*3/2== Nср*0,75×3/2= 1,125*Nср=1,125×116=131 Вт
Для получения такой мощности нужно сжечь некоторое количество топлива.
Проведём оценку сверху для количества углекислого газа (СО2), считая что вся еда — это сложные углеводороды со средне взвешенной формулой с соотношением «углерод‑водород» по типу СnН2n, под которую подходят практически все сложные углеводороды с длинными цепочками, включая глюкозу.
Чистый углерод (уголь) имеет теплоту сгорания Qc=30МДж/кг =30 000 000 Дж/кг.
Чистый водород имеет теплоту сгорания Qн=120МДж/кг =120 000 000 Дж/кг.
Рис. 4
Рис. 4. Таблица значений удельной теплоты сгорания различных видов топлива.
Смесь сложных углеводородов СnН2n будет иметь среднюю энергию сгорания согласно массовой доле каждого компонента.
Общая масса элементарного звена С+Н2= 12+1×2=14
Энергия сгорания на 1 кг углеводов составит:
Qсн2=30×12/14 +120×2/14=43 МДж/кг
Так как нам нужен количество СО2 за 1 час, то энергию сжигания углеводов мы также посчитаем за час с мощностью Nдн=131Вт.
Мсн2=131×3600/ (43 000 000)=0,011 кг =11 г
Теперь обратимся к школьной химии.
Так при сгорании двух молей углеводорода типа СН2 в двух молях кислорода типа СН2 выделяется один моль углекислоты СО2 и два моля воды Н2О
2*СН2+2О2= СО2 +2*Н2О
Получился очень интересный результат про образование воды в организме (эндогенная вода), даже если воду не пить.
Правда, эндогенной воды крайне мало, а именно около Мн2о=11×36/28=14 г/час.
Где 28- это молярный вес вступившего в реакцию углеводорода в уравнении реакции окисления, 36- молярный вес получившейся в процессе реакции воды, 11 г- масса реального сгоревшего углеводорода при мощности 131 Вт.
За сутки набирается около 300 грамм эндогенной воды в организме.
2. Количество углекислого газа при сжигании углеводов типа СnН2n
При массовой доле углерода С=12 г/моль в углеводе на уровне 12/14 и выгорании 11 г углеводов в час можно рассчитать выход углекислого газа.
=11*(12/14)/12=0,786 моль СО2
Значит за час человек выдыхает 0,786 моль СО2, что при молярном объёме газов 22,4л/моль составит:
V со2/ч=0,786×22,4=17,6 л/ч
Молярный вес MrСО2=(12×1+16×2)= 44 г/моль.
Тогда в массовом выражении выдыхаемый СО2 будет равен:
Мсо2/ч=0,786×44=34,6 г/ч
Цифра 35 г/ч для выдыхаемого человеком СО2 также часто встречается в справочниках по физиологии человека.
Концентрация углекислого газа (CO2 или диоксида углерода) в сухом атмосферном воздухе составляет 0,03—0,045 об. % (300—450 ppm).
Считается, что норма уровня СО2 в помещении не должен превышать уличные значения примерно в 1,5 раза, то есть до 450–700ppm. (или 0,45–0,7 л/м3)
Следовательно выдохнув 17,6л СО2 нам необходимо его разбавить до концентрации 0,7л/м3, имея базовый уровень 0,3л/м3.
То есть на каждый 1 м3 воздуха мы можем добавить приблизительно (0,7–0,3)=0,4л/м3
Тогда для разбавления 17,6л СО2 нам потребуется объём вентиляционного воздуха:
Vвент=17,6/0,4=44 м3/ч
Так мы пришли к получению вентиляционной нормы в 44 м3/ч.
Реально эта норма по содержанию СО2 является сильно завышенной, так как существенное снижение самочувствия наблюдается только при концентрациях СО2 выше 0,15% или 1,5л/м3.
В этом случае норма на вентиляцию резко упадёт:
Vвент=17,6/(1,5–0,3)=14,67 м3/ч
Для мегаполиса с выхлопными газами посчитаем по верхней границе фона 0,45л/м3.
Vвент=17,6/(1,5–0,45)=16,76 м3/ч
Так мы получили вторую часть нормы на вентиляцию 20 м3/ч для временного пребывания людей.
Обе эти цифры составляют стабильные 73–83% от норм 60 м3/ч и 20 м3/ч.
Похоже, что нормативщики в СССР пошли по более простому пути расчёта, считая, что в организме человека горит чистый уголь с Qc=30МДж/кг, а не смесь с Qсн2=43МДж/кг
Или же считали норму еды по калорийности 3200ккал (что менее вероятно), так как тепловыделения человека повысятся до 178Вт (общеизвестная цифра в районе 130–150Вт).
Для оценки точности нашего приблизительного расчёт энергоёмкости углеводной еды имеет смысл сравнить её с чем‑то достаточно известным, а именно с нефтяными топливными фракциями.
Так теплота сгорания бензина и керосина составляют величину 46МДж/кг, что практически совпадает с нашими расчётными 43МДж для углеводов в еде.
У нефти и природного газа этот показатель равен 44МДж/кг.
Дополнительную разницу можно учесть за счёт того, что при сгорании нефтяных топлив учитывают низшую теплоту сгорания, то есть без энергии конденсации воды из газовой смеси.
При этом в организме человека происходит конденсация паров воды после реакции в виде «эндогенной воды», то есть у нас в расчёте пищевой ценности присутствует низшая теплота сгорания, что приблизительно на (14×2400/3600)/131= 7% меньше, чем у высшей.
Именно на этой разнице достигается КПД в 107% у конденсационных низкотемпературных газовых котлов и живых организмов.
3. Сравнительный расчёт при сгорании чистого углерода
Если же провести расчёт по чистому углю то получим практически точное попадание в 60 м3/ч и 20 м3/ч на человека при тех же исходных условиях.
Мсн2=131×3600/ (30 000 000)=0,0157 кг =15,7 г
При молярной массе углерода С=12 г/моль и выгорании 15,7 г углерода в час можно рассчитать выход углекислого газа.
=15,7/12=1,31 моль СО2
Vсо2=1,31×22,4=29,3л/ч
Разбавление до концентрации 0,15% (1500ррm) составит:
Vвент=29,3/(1,5–0,3)=24,4 м3.
Что и требовалось доказать.
Аналогичный просчёт на концентрацию 800ррm даст объём воздуха на разбавление
Vвент=29,3/(0,8–0,3)=58,6 м3 или крайне близко к 60 м3/ч
4. Реалистичность жёстких нормативов содержания СО2 на уровне до 1000ppm
Стоит отметить, что явные негативные ощущения (такие как головная боль и покраснения глаз) наступают при длительном нахождении в помещении с концентрацией СО2 до 7000ppm. При этом уровень 5000ррm (или 0,5%=5л/м3) cчитается допустимым при работе не дольше 8 часов.
Рис. 5
Рис. 5. Таблица допустимых концентраций угликислого газа СО2 в помещениях с присутствием людей.
Таким образом, нижним предельно допустимым уровнем вентиляции можно считать значение:
Vвент=17,6/5= 3,5 м3/ч на человека.
А это уже в 4 раз меньше, чем мы посчитали для нормы вентиляции 14,6 м3/ч на человека, и в 6 раз меньше нормы 20 м3/ч.
В итоге, если ориентироваться именно на явные ощущения человека, то человек сам откроет форточку для проветривания зимой только тогда, когда ему станет «душно» при уменьшении расхода вентиляции до 4 м3/ч.
Стоить заметить, что расход 4 м3/ч обеспечивается по щелям закрытых открываемых окон.
Именно по этой причине в жилье практически не случаются отравления углекислым газом, так как хватает проветривания через щели или при открывании на 2–3 минуты форточки всего раз в час.
Чего нельзя сказать о современных высотных зданиях со сплошным остеклением, но без отрывающихся окон. В таких «герметичных» зданиях получить отравление СО2 вполне реально.
5. Минимальные нормы вентиляции для бомбоубежищ и заглублённым в грунт военных командных пунктов
В этом отношении интересен опыт строительства и нормирования вентиляции для военных сооружений, где рациональность доведена до предела выживания, а не до уровня «комфорта».
Так на картинке приведены цифры допустимых концентраций СО2 для командных пунктов, медицинских частей и для личного состава фортификационных сооружений без окон (см.рис. 4).
Рис. 6
Рис. 6. Таблица допустимых концентраций угликислого газа СО2 в помещениях военного назначения с присутствием людей.
Так с вентиляцией допускается концентрация 0,5% (5000ррm), , а без принудительной вентиляции даже 1% (10 000ррm).
При этом без вентиляции допускается даже заброс до 3% (30 000ррm), но уже с жёстким ограничением в 5 часов по длительности пребывания.
И если 0,5% мы достигаем с расходом вентиляции около 4 м3/ч на среднего человека, то 3%- это уже всего 0,6 м3/ч на человека.
За 5 часов пребывания человек испортит 0,6×5=3 м3 воздуха.
Именно такой объём воздуха на одного человека содержится в бомбоубежищях без системы принудительной вентиляции, где на одного человека приходится меньше 1 м2 общей площади пола при потолках высотой около 3 м. То есть люди в бомбоубежищах сидят плотными рядами или лежат на трёхярусных узких нарах, выдыхивая воздух вокруг себя.
При этом для людей в таких бомбоубежищах гораздо страшнее жуткая сырость, которая связана не с протечками воды из грунта, а с конденсацией воды на стенах, потолках и полах при 100% влажности воздух от испаряемой и выдыхаемой людьми парообразной воды.
Это бомбоубежище без вентиляции становится похоже на турецкую парную «хамам», где при 100% влажности и температуре +37С организм не может никак отдать тепло наружу и начинает сам себя разогревать изнутри, обливаясь снаружи потокам не способного испарятся пота.
Действительно, больше 5 часов такую адскую пытку жарой и духотой мало кто выдержит даже из здоровых и молодых людей. Ну, а больные люди в таком бомбоубежище практически обречены на смерть по «естественным причинам» за те же 5 часов.
6. Охлаждение тела
Вентиляционные нормы также можно оценить по отводу тепла от человеческого тела.
Так считается, что непосредственной теплоотдачей (конвективная теплопередача) человек отдаёт 70% общего тепла от организма к огкружающему воздуху. Тогда как оставшаяся часть в 30% приходится на испарение воды с кожи и при дыхании.
Тогда при мощности 131 Вт нагрев воздуха составит Nт=131×0,7=92 Вт.
При норме вентиляции 60 м3/ч на человека мы получаем возможность снять явный тепловой поток 100Вт от человека на перепаде в дТ=5С, то есть при нагреве воздуха от +24С до +29С.
Nт=(Vвент*q*дТ*с/3600)=(60×1,2×5*1,005/3600)=0,1кВт
Температура +29С здесь не случайно появилась, так как при более высокой температуре работать запрещено по нормам СанПиН. При этом температура +24С является нормативной для расчётов в тёплое время года.
Если же мы подаём зимой воздух с улицы при температуре минус 26С (-26С — это расчётная температура зимой в Москве), то явная тепловая мощность 100Вт обеспечивает нагрев приточного воздуха с расходом 6 м3/ч от -26С до +24С на дТ=50С.
Тут мы магическим образом приходим к совпадению предельных малых цифр по вентиляции (по СО2 в жилье) и по способности нагреть этот же объём воздух до комнатной температуры за счёт явной теплоотдачи своего же тела.
Получается, что нагрев приточного воздуха с расходом 6 м3/ч на проветривание обеспечивается собственным теплом человеческого тела даже при зимней температуре минус 26С на улице…
Именно по этой причине никто не обеспечивает избыточную мощность систем отопления для нагрева приточного воздуха «по норме», так как реальная потребность в вентиляции обеспечивается тепловой мощностью организма самого человека.
7. Отвод испарений воды от человка
Так как 30% тепловой мощности человека приходится на испарение воды с кожи и при дыхании, то рассчитаем количество испаряемой человеком воды.
Тогда при общей мощности 131 Вт на испарение воды уйдёт Nн2о=131×0,3=39 Вт.
Зная теплоту парообразования Qпар=2400кДж/кг можем рассчитать испарение воды за час при мощности 39Вт.
Мвод=(0,039×3600)/2400=0,0585 кг/ч= 59 г/ч
При норме вентиляции 60 м3/ч испарение человеком добавит всего 1 г воды на 1 м3 воздуха, что при температуре +24С поднимет влажность всего менее чем на 5%.
Так при 100% влажности общее влагосодержание в воздухе составит 19 г/кг или 22 гр/м3.(см. Id-диаграмму влажного воздуха на Рис. 1)
Таким образом, добавка 1 г/м3 составит 1/22=0,045 или 4,5%.
Рис. 7
Рис. 7 Диаграмма состояния влажного воздуха (Id-диаграмма)
Норма 20 м3/ч даст изменение влажности воздуха уже на 15%, что в летнее время станет уже достаточно заметным изменеием к худшему, если тёплый уличный воздух с температурой +24С будет иметь влажность около 60%.
При повышении влажности тёплого воздуха до уровня 75% и выше возникает ощущение «тропической жары», а человеку становится «душно дышать».
Понятие «душно» — это комплексный субъективный показатель в оценке комфортности пребывания в данной атмосфере по нескольким параметрам:
Относительная и абсолютная влажность,
температура,
содержание СО2 и других летучих соединений (запахи).
Изменение отдельных параметров может значительно повлиять на общее ощущение комфорта.
При одинаковой температуре по термометру в помещении с высокой относительной влажностью будет ощущаться «жаркая духота», а при той же температуре с низкой относительной влажностью воздух будет ощущаться как «прохладный и свежий».
Эта изменчивость ощущений связана с тем, что при высоких температурах резко растёт способность воздуха содержать водяной пар.
Если при +24С и относительной влажности 50% (комфортные условия) в воздухе содержится водяной пар в количестве 11 г/м3.
То при -10С и относительной влажности 50% (зима) в воздухе содержится водяной пар в количестве менее 1 г/м3.
Это означает, что вентиляционный воздух с улицы зимой приходит с очень низкой относительной влажностью 3–5% после нагрева его до +24С.
Именно по этой причине зимой в квартире развешенное после стирки бельё быстро сохнет, а паркет и мебель из натурального дерева рассыхаются до образования видимых щелей на стыках.
При высокой относительной влажности в летнее время человеку становится труднее испарять воду, что приводит к его перегреву, выражаемому в ощущении «жаркой духоты» при усиленном выделение пота. Дерявянные предметы летом впитывают влагу и разбухают, усиливая эффект растрескивания в мебели и других деревянных изделиях.
Если принять приток вентиляции зимой в квартире на уровне 6 м3/ч (нагрев воздуха телом), то прибавка влажности воздуха составит уже 10 г/м3, а относительная влажность воздуха в помещении с температурой +24С составит уже 50–60%, то есть в пределах нормы «комфортного ощущения».
Глядя на Id-диаграмму можно обнаружить ещё интересный фокус.
Так при испарении человеком 60 г/ч с нормой вентиляции 60 м3/ч на человека происходит повышение абсолютного влагосодержания на 1 г/м3, а с учётом нормируемых температур и влажности окружающего воздуха получается, что испарение происходит при снижении относительной влажности 60% до 50% при том же росте температуры от +24 до +29С.
8. Борьба с перегревом помещений летом
Нормативная система вентиляции по максимальной норме 60 м3/ч на человека соответствует прямому притоку через окна в летнюю погоду при +24С на улице.
Правда в случае с нормой 20 м3/ч не выполняется сохранение температуры в приемлемом диапазоне +24…+29С, что можно списать на нагрев ещё холодных стен в помещении за время пребывания человека менее 2 часов в помещении.
Но что делать при температуре +26С на улице?
А если у человека под боком ещё и компьютер работает с дополнительным тепловыделением 250–500Вт от потреблённой им и рассеянной вокруг электрической мощности?
В итоге без системы принудительного искусственного охлаждения помещения с помощью фреоновых «кондиционеров‑охладителей» задача снятия теплопритоков от человека и оргтехники в тёплый летний день уже не решается.
То есть «советская» норма летней вентиляции 60 м3/ч вполне оправданна для человека в КБ с карандашом у кульмана или в офисе за столом со счётами, но она устарела физически и морально, когда в офисах появились компьютеры с тепловыделениями в 2–5 раза больше, чем от самого человека.
Но как только мы начали использовать холодильные машины для снятия теплоизбытков, то в то же время норма 60 м3/ч на человека летом стала мешать, так как холодильные мощности уходят на охлаждение и осушение избыточного воздушного потока. При этом вентиляционные воздуховодные сети неимоверно распухают, съедая огромный объём внутреннего пространства в зданиях.
Но и зимой при низком влагосодержании и холодном уличном воздухе выполнять норму даже 20 м3/час на человека становится техническим абсурдом. Так как при исходном влагосодержании не выше 7–8 г/м3 при +8С на улице в начале отопительного периода уже достаточно 10 м3/ч для удержания влажности не выше 60% при темпере +22С в помещении.
Кстати норма 10 м3/ч на человека применяется в авиации, где забортный воздух исключительно сух при минус -50С за бортом, а для ассимиляции углекислого газа от среднего человека хватает и 6 м3/ч свежего воздуха. Правда из‑за разрежения до 0,6 атм давления в самолёте минимальная норма 6 м3/ч по СО2 превращается уже в 10 м3/ч при давлении 0,6атм.
Тогда зачем до сих пор нам навязывают эти чудовищные расходы по вентиляции, приводящие к разрастанию воздуховодов и перерасходу тепловых мощностей на приточных установках зимой и перерасходу электричества на холодильных системах летом?
Это проблема быстрой смены технологических укладов с повсеместным распространением компьютеров и кондиционеров. При том, что нормативная база забыла об исходных задачах и не реагирует на технологические изменения в системах ОВиК.
И что делать инженеру ОВиК с этим знанием?
А нам остаётся только жульничать, закладывая на стадии «Проект» систему по норме 60 м3/ч с параллельно работающими 2–3–5 установками, при этом на этапе эксплуатации снижая расход по вентиляционной сети в те же 2–3–5 раз.
Установкой каскадов однотипных вентустановок для параллельной работой на общую сеть мы экономим деньги заказчику и создаём значительный резерв простаивающего оборудования для его планомерного износа в режиме работы на 20–30% от суммарной номинальной мощности.
Вторым приятным дополнением к снижению расхода по вентиляции будет то, что одну из пяти установок хозяин офиса всё‑таки включит зимой, тогда как включать систему на полную мощность с чудовищным расходом денег на тепло и электричество он точно не станет. То есть и офисные жители (такие как мы с вами) от этого «жульничества» тоже пользу получат, получив свежий воздух хотя бы по минимальной физиологической норме 6–10 м3/ч на человека.
9. Расходы тепла на вентиляцию зимой
Квартира
Оценим теперь энергетические затраты на вентиляцию в зимнее время.
Предположим, что мы проветриваем по нормативу однокомнатную квартиру с одним человеком в ней.
Тогда по нормативу в комнату необходимо подать не менее 30 м3/ч.
При температуре на улице -26С и +24С в квартире приточный воздух надо нагреть на разницу температур:
дТ=(24-(-26))=50С
Такой нагрев потребует затраты энергии:
Е= V*q*дТ*с=30×1,2×50*1,005=1800кДж
Где V- объём нагреваемого воздуха, q — плотность воздуха (q=1,2 кг/м3 при +20С), c- это теплоёмкость воздуха в (c=1,005кДж/кг*град).
С учётом длительности нагрева в 1 час (1час =3600секунд) это будет соответствовать тепловой мощности:
N=1800кДж/3600с=0,5кВт.
Из предыдущей статьи можно вспомнить, что мощность радиатора в типовой комнате современного панельного дома составляет всего около 350Вт.
Таким образом, мощности штатного радиатора отопления никак не хватит на нагрев дополнительного вентиляционного воздуха.
При этом для обеспечения отопления с учётом такого нагрева вентиляции потребуется повысить мощность системы отопления в квартире до величины:
(350+500)=850Вт
То есть вся система отопления жилого дома должна увеличиться более чем в два раза, а именно:
850/350=2,43 раз.
Поскольку в современных домах нет таких сильно увеличенных приборов отопления, то норма по вентиляции в жилых квартирах зимой не выполняется.
Не смотря на явный недостаток вентиляции в квартирах из‑за малой мощности систем отопления, как ни странно люди прекрасно живут в таких условиях годами, довольствуясь минимальным притоком свежего воздуху через щели в окнах в объёмах 4–6 м3/ч на комнату.
Расход воздуха 6 м3/ч по щелям в окнах вполне укладывается в мощность теплоотдачи самого человека (100Вт). А вот с учётом дополнительной теплоотдачи электроосвещения и других электроприборов (ТВ, компьютер) в квартире может возникнуть потребность в дополнительном проветривании помещения путём открывания форточек на окнах.
10. Вентиляция в офисах
В офисах люди находятся более 2 часов, а потому там наиболее актуальна норма 60 м3/ч на человека из СП.
Правда, на уровне московской государственной экспертизы (МГЭ) настоятельно рекомендуют использовать норму 40 м3/ч , как при наличии окон (см.таб.Рис. 1). Похоже, что в МГН тоже стали о чём-то таком догадываться.
Повторим расчёт тепловой мощности для такой вентиляции.
Такой нагрев потребует затраты энергии:
Е= V*q*дТ*с=60×1,2×50*1,005=3600кДж
С учётом длительности нагрева в 1 час (1час =3600секунд) это будет соответствовать тепловой мощности ровно 1кВт:
N=3600кДж/3600с=1 кВт.
То есть если в комнате площадью 36 м.кв. (модуль офиса 6×6 м между колоннами) сидит как минимум 6 человек (норма 4–6 м2/человека), то в это помещение нужно вдувать не менее 60×6=360 м3 каждый час, расходуя при это 6кВт тепла на нагрев холодного воздуха.
Рис. 8
Рис. 8 Расположение рабочих мест в офисе в границах модуля здания 6×6 м:
А. — офис типа «опенспейс» по 9 человек на модуль (4 м2/чел),
Б- офис типа «опенспейс» по 6 человек на модуль (6 м2/чел),
В- офис «коридорно-кабинетного» типа по 6 человек на модуль (6 м2/чел) с кабинетами на 3-их и выгороженным стенами коридором с дверями.
При этом на фасаде длиной 6 м теплопотери будут составлять всего от 700Вт (малый процент окон около норматива в 22%) до 1800Вт (сплошное 100% остекление фасада). То есть мощность на вентиляцию будет в 3–9 раз больше мощности на отопление:
6/0,7=8,6 раз или 6/1,8=3,3 раз
При такой многократной разнице в мощности систем отопления и вентиляции становится совершенно понятно, что включать систему вентиляции «по нормативу» никто добровольно не захочет, ибо это слишком дорого.
Проблема обостряется из‑за того, что в современных офисных зданиях окна вообще не открываются, а потому работники сидят вообще без какого‑либо свежего воздуха, даже из щелей в окнах или из форточек.
Как мы рассчитали ранее, для дыхания на пределе концентрации СО2 достаточно 6 м3/ч на человека, таким образом чисто на нужды дыхания достаточно включать систему вентиляции «по нормативу» всего на 1 час за рабочий день.
Вот только ради одного часа работы никто не будет возиться с запуском огромной вентиляционной установки. Именно по этой причине выгоднее постоянная работа одной из параллельных установок с мощностью 15–20% от номинального расчётного режима по 60 м3/ч на человека, выдавая хотя бы 8–10 м3/ч на человека в постоянном режиме.
11. Перегрев офисов в зимнее время при отсутствии вентиляции
Как мы выяснили ранее, норматив на вентиляцию в РФ очень жёсткий и сделан исключительно во благо трудящихся.
Вот только, как известно ещё из высказывания одного известного государственного деятеля ещё позапрошлого 19-го века:
«Жесткость российских законов компенсируется необязательностью их исполнения».
То есть в офисных пространствах с не открываемыми окнами складывается парадоксальная ситуация:
В офисе зимой стоит жара и духота, так как теплоизбытки (от людей, компьютеров и электроосвещения) многократно превосходят теплопотери через наружные стены и окна. При этом невозможно проветрить офис свежим воздухом из открытых окон и тем самым заодно снять перегрев.
При этом можно было бы всё решить включением существующей приточной вентиляции. Но и этого не делают, так как включение вентиляции слишком затратно по расходом на нагрев приточного воздуха.
Тут могла бы помочь система кондиционирования (фреоновые охладители), вот только системы кондиционирования чаще всего рассчитаны только на работу летом, а с началом отопительного сезона их отключают.
Включать подачу холодного уличного воздуха без нагрева тоже не получится, так как система автоматики отключит приточные установки по угрозе замерзания водяных калориферов.
Итого: Для того чтобы использовать теплоизбытки в офисе на нужды подогрева приточного воздуха требуется ещё на стадии проектирования закладывать такую возможность в технических решениях.
Так нужно чтобы система кондиционирования (охлаждения) в офисе работала круглогодично, при этом в холодное время года при уличных температурах ниже +15С тепловой сброс от фреоновых «компрессорно‑конденсаторных блоков» (ККБ) должен частично или полностью направляться на подогрев приточного воздуха в приточных установках.
Конструктивно исполнить связь охлаждения офиса с нагревом притока зимой вполне возможно, но нужно это делать так, чтобы система не выросла в цене и не стала технически слишком сложной для эксплуатации.
Всё что сложно и дорого в последствии либо не включают при эксплуатации, либо вообще выкидывают из проекта.
