Ветер над городом и поквартирная вентиляция через фасад
Децентрализованная вентиляция больших зданий.
В предыдущей статье был разобран вопрос организации общедомовой вытяжной вентиляции из санузлов и кухонь в квартирах в многоэтажных многоквартирных домах.
https://habr.com/ru/articles/736140/
https://habr.com/ru/articles/729574/
Теперь попытаемся обобщить технические решения по вентиляции, которые пригодные для отдельных квартир. Обобщение сделаем для «отдельных помещений» в составе «больших зданий».
К категории «отдельных помещений» можно причислить что угодно: от квартир и офисов до производственных мастерских и торговых помещений.
Ну, а к категории «больших зданий» можно причислить тоже обширный ряд сооружений: от плоских и длинно-широких одно-двух этажных Торговых центров (ТЦ) до высотных зданий офисных центров с квартирами и апартаментами на верхних этажах (далее БЦ).
К категории ТЦ также можно причислить широкий ряд малоэтажных протяжённых сооружений технического назначения: заводские корпуса, склады, гаражи и т.д.
Для всех перечисленных типов зданий от ТЦ до БЦ свойственно одно общее свойство, а именно:
Объём здания разделён на отдельные помещения (или отдельные зоны в общих помещениях) с различными условиями и требованиями к режиму вентиляции во времени и в пространстве.
То есть в одном здании должно быть несколько независимо работающих вентиляционных систем, обеспечивающих вентиляцию в отдельных помещениях, или в отдельных малых участках больших помещений.
Отдельная система в отдельном помещении.
При делении больших зданий на отдельные помещения (или локальные зоны) требуется в этих помещениях устанавливать отдельные вентиляционные системы, привязанные к наружным стенам или кровле, контактирующими именно с этим помещением.
Для больших зданий уже не имеет значение где будут организованы выходы вент систем: на крыше или на фасаде.
Оба варианта одинаковы правомочны относительно требований современного СП60–2020.
С точки зрения физики динамика воздушных потоков одинакова для высотного здания высотой 100 м при размере стен в плане 20×20 м, и для плоского низкого сарая длиной 100 м высотой 10 м и шириной 20 м. (см рис. 1.).
рис. 1
Рис. 1. Обтекание потоками ветра протяжённых зданий различной компоновки: А- длинное низкоэтажное здание (слева вид сбоку), Б- высотное узкое здание типа «небоскрёб-гвоздь» (слева вид сверху).
Для протяжённых зданий уже невозможно обеспечить стабильную работу естественных вытяжных систем, а потому все системы должны быть принудительными (с вентилятором).
В больших зданиях не выгодно тащить большие воздуховоды через соседние помещения из-за неразумной потери объёмов и площадей помещений на транзитные воздуховоды, а потому системы вентиляции становятся строго локальными.
Чистота воздуха снаружи.
Психологически мы привыкли, что вытяжной «грязный воздух» надо выбрасывать именно на кровле, то есть где-то подальше от окон помещения, через которые в наши квартиры попадает уличный «чистый воздух».
В этом предположении понятия «грязный воздух» и «чистый воздух» взяты в кавычки, так как это некие «понятия», а не реальные показатели качества воздуха.
Так в отдельно стоящем доме в чистом поле вытяжной воздух из трубы на крыше может быть действительно грязнее, чем приточный воздух через окна.
В случае же размещения дома в плотной застройке большого города ситуация с чистотой воздуха в разных частях дома может быть не такой однозначной.
Так чистота воздуха в городе больше зависит от положения окружающих домов, чем от места относительно самого рассматриваемого дома.
Может сложится так, что на крыше дома возду будет сильно чище, чем возле окон на фасаде дома. Именно так происходит в больших городах, где в приземной части воздух загрязнён сильнее от выхлопов автомобилей. При этом воздух на высоте чище из-за лучшего продувания атмосферным ветром.
Оценка загрязнённости воздуха в Москве
Для понимания степени загрязнённости воздуха в городе можно оценить среднее загрязнение воздуха в Москве.
Так в Москве на дорогах находится около 1 млн. автомобилей с работающими двигателями, а в домах проживают 15 млн. человек.
При этом человек выдыхает около 35 г/ч углекислого газа (СО2).
А один средний автомобиль сжигает около 3 кг бензина в час (10 кг на 100 км при средней скорости около 30 км/ч).
При сжигании 3 кг бензина автомобиль выбросит приблизительно 9 кг СО2.
СН2 +1,5*О2=СО2+Н2О
(12+1×2) +(1,5×16*2)=(12+16×2) +(1×2+16)
14+48=44+18
То есть из 14 грамм углеводорода слева получается 44 грамм СО2 справа.
Соотношение по массе близкое к 1:3
Итого ежечасно в Москве выделяется следующее количество углекислого газа:
Люди
Мл=0,035×15 000 000= 525 000 кг=525 тонн
Автомобили
Мл=9×1 000 000= 9 000 000 кг=9 000 тонн
То есть автомобили выделяют более чем в 17 раз больше углекислого газа, чем люди.
Посчитаем необходимый воздухообмен Москвы для выполнения норматива по содержанию СО2 на уровне 1000ррм.
1000ррм= 1л (СО2) /м3 воздуха
Так как молярный вес СО2 сотавляет 44 г/ моль, а 1 моль газа имеет объём 22,4л/моль, то 1 л (СО2) весит
Мсо2=44/22,4=1,96 г/л= 0,002 кг/л
То есть для разбавления 9 млн.кг чистого СО2 до концентрации 1000ррм потребуется объём воздуха:
Vвозд1000=9×10^6/0,002=4,5×10^9 м3
Учитывая фоновую концентрацию на уровне 400ррм на каждый кубометр мы можем добавить только 600ррм нового СО2, что потребует увеличить объём воздуха на разбавление до величины:
Vвозд600=4,5×10^9 *(1000/600)=7,5×10^9 м3 или 7,5 км.куб.
При площади Москвы около 900 км.кв (в пределах МКАД) слой загрязнённого за час воздуха составит
H=7,5/900= 0,0083 км или 8,3 м.
За сутки будет испорчено в 24 раза больше воздуха или слой около
Н=8,3×24=199 м
Тоесть за сутки в безветренную погоду воздух в Москве оказывается отравленным на высоту выше 70-го этажа высотного здания.
При этом степень загрязнения воздуха в мегаполисе можно даже наблюдать без всяких приборов.
Так если отъехать от Москвы по Ярославскому шоссе на 70 км до Сергиева посада, то при взгляде в сторону Москвы в закатных лучах над Москвой отчётливо виден купол жёлтого газа (сам наблюдал неоднократно).
Это вполне себе мгновенно визуализируемый слой отравленного воздуха над всем городом, который виден по изменению цвета воздуха с голубого на жёлтый в слое высотой выше уровня самых высоких домов и протяженностью 30–40 км.
Смог можно наблюдать и в самом городе, например глядя вдаль вдоль крупных проспектов или с высоких этажей над домами (см.рис. 2–3).
На первом фото вид на Москва-Сити с явной дымкой жёлтого смога при безоблачном небе в безветренную погоду.
На втором фото воздух чист и прозрачен, а сам Сити не только отчётливо виден без задымления смогом, но и вдалеке за ним прекрасно видны красные многоэтажки (слева от Сити на линии горизонта).
фото.1
Рис. 2. Дымка смога над городом в центре Москвы в ясную погоду без ветра.
Фото.2
Рис. 3. Чистый и прозрачный воздух над центром Москвы в ветреную погоду с низкой облачностью.
Если принять скорость ветра 2 м/с (среднее значение по климатологии), при ширине Москвы 45 км всю Москву воздух пройдёт за 45/2=22,5 тыс.секунд или за 22500/3600=6,25 часов.
При 4-х кратном воздухообмене слой отравленного воздуха на выходе из Москвы составит уже всего около 50 м.
То есть климатический воздухообмен Москвы составляет около 4-х крат за сутки, а на выходе из города будет постоянно дуть отравленный выхлопом ветер с весьма высокой концентрацией СО2.
Абсолютное значение концентрации СО2 по высоте воздуха от земли будет сильно меняться.
Так если у поверхности земли на автодорогах концентрация СО2 и СО2 почти всегда больше ПДК, то на высоте в несколько десятков метров над землёй в ветреный день концентрация резко падает.
Так при расчёте на скорость ветра 2 м/с у нас «вытяжной» воздух из Москвы будет с предельной концентрацие по СО2 выше 1000ррм на высоте около 50 м от крыш домов.
В тоже время необходимо учитывать в расчёте высоту средней застройки домами высотой в 30–50 м , через высоту которых будет проходить циркуляционный поток выхлопов от автомобилей с улицы во дворы.
Тогда слой отравленного воздуха увеличится по высоте на высоту застройки, достигнув высоты в 100 м от земли.То есть на выходе из Москвы отравлены до 1000ррм слой составит более 100 м при ветре над городом 2 м/с.
Прямой расчёт прибавки уровня СО2 в воздухе на выходе из Москвы в слое 100 м.
Ранее мы посчитали количество выбросов СО2 от автомобилей 9 млн.кг/ч.
Расчётный объём на разбавление — это слой 100 м при скорости 1 м/с (ниже среднего) и длине фронта 30 км (наименьше сечение Москвы).
Общий объём воздуха за час составит
Vвозд=1×3600*100×30*1000=10,8×10^9= 10,8 млрд.м3
Объём одного моля газа при нормальных условиях составляет 22,4л/моль (0,0224 м3/моль), при этом молярная масса СО2 составляет 44 г/моль (0,044 кг/моль).
Таким образом возможно посчитать общий объём отравляющих газов от часового выброса от автомобилей при массе выбрасываемого в выхлопе СО2 в количестве 9 млн.кг.
Объём выбросов СО2 от автомобилей составит:
Vсо2=9×10^6×0,0224/ 0,044=4581818 м3 или 4,58 млн.м3/ч
Концентрация СО2 при разбавлении составит
Vсо2/ Vвозд= 4,58 млн./10,8 млрд=0,0004242 или 420ррм
То есть при фоновом уровне 400ррм прибавка 420 ррм даст суммарно вполне допустимый уровень загрязнения 400+420=820ррм, что ниже предполагаемого предела в 1000ррм на выходе загрязнённого воздуха из Москвы.
Из чего следует вывод, что в ветреную погоду с со скоростью ветра над домами более 1 м/с качество воздуха во всех районах Москвы оказывается вполне удовлетворительным.
При этом в безветренную погоду ситуация с качеством воздуха становится критической уже через 6 часов полного штиля над мегаполисом.
Задымление вдоль автомобильных дорог
Даже если в среднем по городу содержание в воздухе СО2 и СО будет удовлетворительным, то в зоне автодорог уровень загрязнением СО2 и СО во много раз превышает допустимые значения средних расчётных цифр по всей площади города. Ведь именно на дорогах происходит выброс автомобильных выхлопов, а площадь самих дорог во много раз меньше общей площади застройки соседних жилых кварталов.
Так над дорогами образуются плотные подушки концентрированных выхлопных газов.
При этом вокруг дорог устанавливаются свои собственные циркуляционно-конвективные потоки, где над дорогой возникает восходящий поток тёплых выхлопных газов, а из прилегающих жилых кварталов вдоль земли на дорогу вытекают остывшие и чуть более чистые потоки «свежего» воздуха (см.рис. 4.).
рис. 4
Рис. 4. Локальные циркуляционные конвективные потоки воздуха в зоне автодорог с примыканием к жилой застройке.
При наличии устойчивого ветра над городом картина придорожных вихрей несколько изменяется, теряя симметрию относительно дороги (см.рис. 5).
При этом поток ветра над домами не только усиливает вихревое перемешивание воздуха между автотрассами и прилегающими дворами, но и уносит часть загрязнений от выхлопов прочь из города вместе с потоками ветра, тем самым резко снижая локальные концентрации выхлопных газов над дорогами.
рис. 5
Рис. 5 Сдвиг локальных циркуляционных вихрей «дорога-двор» под воздействием доминирующего ветра над домами.
Именно по этой причине мы пока не задохнулись внутри мегаполиса даже в окружении миллиона непрерывно дымящих автомобилей. Хотя остаётся по прежнему крайне опасно долго находится вблизи широких многополосных шоссе и особенно внутри потока автомобилей в самом автотранспорте.
В экологическом отношении быть шофёром в Москве- это крайне вредная работа, приводящая к хроническим отравлениям угарным газом.
Такое отравление угарным газом выражается в не проходящей усталости и невозможности выспаться. При этом единственным лекарством от отравления угарным газом за рулём является смена работы (для профессиональных городских водителей) или отказ от использования наземного автотранспорта в личных целях (для автолюбителей).
Лично мне пришлось отказаться от разъездной работы на автомобиле по Москве после того как я сам хватанул подобное хроническое отравление угарным газом за рулём в московских пробках.
Просыпаться каждое утро уставшим и без сил — это не то состояние, при котором хочется жить и работать.
На загородных трассах риск отравления угарным газом резко падает из-за сильного бокового продувания автодороги ветром, так что дальнобойщики дышат сравнительно чистым воздухом даже на загруженных загородных шоссе.
Распределение воздух на фасаде при поквартирных системах вентиляции
При использовании индивидуальных поквартирных систем вентиляции малой производительности возникает вопрос о характере движения воздуха вне дома и возможности затекания вытяжного воздуха в приточное отверстие в стене квартиры (в форточку).
Первоначально надо рассмотреть случай с вытяжкой через общедомовую вентиляцию с дефлектором на кровле (см.рис. 6)
При отсутствии ветра наблюдается рециркуляция вытяжного воздуха из дефлектора на кровле обратно во двор.
Эта рециркуляция неизбежна в силу неразрывности воздушных потоков в атмосфере.
При этом высота распространения восходящего потока в зимнее время будет больше, чем летом, в силу большей разности температур вытяжки и уличного воздуха в зимнее время.
В летнее же время относительно прохладный воздух из вытяжки (принудительной) вообще может сразу падать обратно во двор, так как воздух из прохладного здания может быть холоднее и тяжелее тёплого уличного воздуха.
рис. 6
Рис. 6. Схема рециркуляции воздуха от кровельной вытяжки к фасадным приточным отверстиям.
Расчёт струйных течений при поквартирной вентиляции с выбросом на фасаде
Примем скорость воздуха V=2 м/с при выбросе через отверстие на фасаде.
Тогда, согласно справочника, струя воздуха из отверстия диаметром Ф100 мм будет тормозится об окружающие массы воздуха и достигнет скорости 0,2 м/с на расстоянии около 4 м от фасада.
При этом надо помнить, что торможение струи газов осуществляется по закону сохранения импульса. То есть импульс струи до торможения о неподвижный воздух не должен изменится после торможения.
Р1=Р2
Где
Р1=V1*M1=2*М1
Р2=V2*M2 =0,2*М2
Приравняем полученные выражения:
0,2*М2=2*М1
Откуда получим:
M2=2*M1/0,2=10*М1
То есть на расстоянии 4 м от стены воздух будет иметь не только скорость в 10 раз меньше, чем в отверстии в стене диаметром Ф100 мм , но ещё и будет разбавлен в 10 раз окружающим воздухом.
При этом сечение струи увеличится в 10×10=100 раз или в 10 раз по диаметру (см.рис. 7).
рис. 7
Рис. 7. Схема взаимодействия потоков вытяжного и приточного воздуха на фасаде здания при локальной поквартирной системе приточно-вытяжной вентиляции с фасада квартиры.
В результате расчёта мы получили, что вытяжная струя за пределами здания образует узкий длинный расширяющийся конус воздуха, в котором постепенно меняется концентрация загрязнения от условных 100% в отверстии до 10% на расстоянии 4 м от стены.
В тоже время при всасывании воздуха с улицы наблюдается совершенно иная динамика движения воздух к отверстию в стене.
Так приточный воздух имеет полусферическое распределение скоростей, при котором на равном удалении от отверстия соблюдается одинаковая скорость воздуха в сторону всасывающего отверстия.
При таком полусферическом распределении скорость воздуха изменяется от 2 м/с в отверстии в стене до 0,2 м/с всего на расстоянии менее 200 мм от краёв отверстия, где площадь полусферы окажется в 10 раз больше площади самого отверстия.
А на расстоянии всего в 1 м от отверстия скорость воздуха на всасывание упадёт до мизерной величины менее 0,003 м/с.
При этом и струя воздуха из вытяжного отверстия из отдельной квартиры не останавливается на расстоянии 4 м от фасада здания, а продолжает двигаться с торможением и перемешиванием с окружающим воздухом двора, пока концентрация не утруднится по двору, смешавшись со встречными потоками вытяжки из квартир от дома напротив.
Получается, что если между отверстиями притока и вытяжки больше 1 м, то затекание вытяжки в приток не наблюдается вообще, или если точнее, то величина прямого затекания вытяжного воздуха в приточный значительно меньше 1% или ниже точности измерения приборов для измерения показателей СО2 в воздухе.
Если над городом нет ветра, то дворы домов через некоторое время всё равно заполняется «выхлопными газами» от местных жителей. Причём без разницы как организована вытяжка в домах: с выбросом вентиляционного воздуха поквартирно через фасад или централизованно через кровлю.
Выводы и заключения:
Из приведённых расчётов и рассуждений можно сделать несколько выводов.
1. Воздух в мегаполисе отравляется в 17 раз больше выхлопами от автомобилей, чем дыханием людей. То есть учитывать надо в большей степени именно выхлопы автомобилей вокруг жилых домов, а не выдыхаемый людьми воздух.
2. Выброс вентиляционного воздуха из помещений с людьми на фасад никак не добавит общего загрязнения воздуха во дворе в сравнении с выбросом на кровле из-за нисходящих циркуляционных потоков с кровли во двор.
3. Забор воздуха с улицы выгоднее всего делать как можно выше от земли и подальше от оживлённых автотрасс, где воздух относительно чище из-за продуваемости ветром, чем у поверхности земли вблизи автодорог.
4. Максимальная загазованность наблюдается над автодорогами, откуда загрязнения распределяются по внутренним кварталам города за счёт медленного конвективного перемешивания и сдува ветром.
5. В безветренные дни ситуация с загазованностью в Москве оказывается очень напряжённой. При этом на самих дорогах уровень СО2 и СО оказывается просто запредельным, что может приводить к тяжёлым последствиям для здоровья как водителей, так и пассажиров наземного транспорта.
