Metody výpočtu větrání v soukromém domě

Větrání je důležitým prvkem každého obytného domu, protože zajišťuje pohodlné bydlení jeho obyvatel a v mnoha ohledech i jejich zdraví. Správně navržený a vypočítaný ventilační systém zajišťuje optimální výměnu vzduchu, odvádí přebytečnou vlhkost a nežádoucí pachy. Obecně by se k takovému problému, jako je navrhování větrání v domě, mělo přistupovat co nejvážněji. Ale jak vypočítat požadovanou kapacitu systému, stojí za zvážení podrobněji.

Výpočet větrání podle plochy místnosti

Jedná se o jednu z nejjednodušších a nejběžnějších metod. Plochu každé místnosti je nutné vynásobit koeficientem výměny vzduchu, který závisí na jejím účelu. Například pro ložnici je koeficient 0,5, pro kuchyň – 1,0 a pro koupelnu – 3,0. Výsledná hodnota se bude rovnat objemu vzduchu, který se musí v místnosti vyměnit za jednu hodinu.

Pro pohodlí můžete provést výpočet větrání pro soukromý dům o rozloze 100 m20, ve kterém žijí dva lidé. Metodou výpočtu na základě plochy prostor získáme následující hodnoty výměny vzduchu: pro ložnici (10 m) – 15 m/hod., pro kuchyň (15 m) – 5 m/hod. koupelna (15 m) – 40 m/hod. Celkový objem vzduchu, který se musí v domě vyměnit za jednu hodinu je XNUMX mXNUMX.

Výpočet větrání podle sanitárních a hygienických norem

Tato metoda je založena na zohlednění počtu osob žijících v domě a jejich aktivity. Podle hygienických norem musí být každé osobě poskytnuto určité množství čerstvého vzduchu za hodinu. Například pro dospělého s nízkou aktivitou je potřeba 20 m/hod., se střední aktivitou – 40 m/hod. a s vysokou aktivitou – 60 m/hod. Výpočet větrání pomocí této metody spočívá v sečtení potřeb všech lidí žijících v domě a rozdělení výsledného objemu vzduchu mezi místnosti.

SanPiN (Sanitary Rules and Norms) nabízí řadu doporučení a norem pro zajištění vysoce kvalitního větrání v obytných prostorách. Pro různé typy prostor jsou stanoveny různé standardy přiváděného vzduchu.

Příklady standardů SanPiN:

• obytná místnost: 3 m/m za hodinu;
• kuchyně: 60 m/h (pokud je plocha kuchyně menší než 8 m), 90 m/h (pokud je plocha kuchyně větší než 8 m);
• koupelna: 25 m/h;
• WC: 50 m/h.

Výpočet ventilace násobky

Metoda výpočtu větrání po násobcích je založena na stanovení počtu výměn vzduchu v místnosti za jednu hodinu. K tomu je nutné vynásobit objem každé místnosti normalizovanou rychlostí výměny vzduchu (n), která závisí na jejím účelu a provozních podmínkách. Výsledná hodnota se rovná objemu vzduchu, který se musí v místnosti vyměnit za jednu hodinu.

V závislosti na funkčním účelu místnosti se frekvence cirkulace vzduchu může lišit. Například pro obývací pokoje, kuchyně, ložnice se obvykle doporučuje hodnota 0,5-1 otáčky/hod., pro koupelnu – 6-8 otáček/hod., pro garáž – 3-5 otáček/hod.

Pro výpočet větrání potřebujete znát objem vzduchu v místnosti. Objem se vypočítá pomocí vzorce V = SH (kde S je plocha místnosti, H je výška místnosti).

Pro určení požadovaného výkonu ventilačního systému byste měli použít vzorec Q = VK (kde Q je výkon systému, V je objem vzduchu, K je rychlost cirkulace vzduchu).

Například mluvíme o soukromém domě o rozloze 100 m, výšce místnosti 2,5 m a následujících charakteristikách:

• Obývací pokoj: 60 m (V = 60 2,5 = 150 m, pak totéž).
• Ložnice: 20 m (50 m).
• Kuchyně: 12 m (30 m).
• Koupelna: 8 m (20 m).

Poté se vypočítá výkon ventilačního systému (Q):

Obývací pokoj = 150 1 = 150 m/h.

Ložnice = 50 0,5 = 25 m/h.

Kuchyně = 30 1 = 30 m/h.

Koupelna = 20 8 = 160 m/h.

Celkový objem odváděného vzduchu:

Q (obecně) = Q (obývací pokoj) + Q (ložnice) + Q (kuchyň) + Q (koupelna) = 150 + 25 + 30 + 160 = 365.

Pro zajištění optimální výměny vzduchu v soukromém domě je tedy nutné instalovat ventilační systém s výkonem 365 mXNUMX/h.

Výpočet větrání na základě celkového objemu vzduchu

Tato metoda je založena na celkovém objemu místnosti a je považována za poměrně jednoduchý a praktický přístup k výpočtu větrání. Doporučená výměna vzduchu je 0,8 – 1x za hodinu pro rezidenty a 3x pro dočasné prostory.

Vzorec pro výpočet: Q = V x K, kde Q je objem přiváděného vzduchu (m/h), V je celkový objem místnosti (m), K je rychlost výměny vzduchu (krát/h).

Příklad: objem obývacího pokoje je 100 m1 Pro takovou místnost je doporučená výměna vzduchu 100x za hodinu. Potom Q = 1 x 100 = XNUMX m/h.

Výpočet větrání podle počtu hostů

Zaměřuje se na lidské potřeby čistého vzduchu. Standardní spotřeba vzduchu na osobu je 30 mXNUMX/h. Vzorec pro výpočet: Q = N x R, kde Q je objem přiváděného vzduchu (m/h), N je počet hostů, R je spotřeba vzduchu na osobu (m/h).

Příklad: 4 lidé žijí v domě. Potom Q = 4 x 30 = 120 m/h.

Výpočet ventilace pomocí specializovaných programů

Ve světě moderních technologií se stále více procesů automatizuje a stává se dostupnými i pro ty, kteří si před 20 lety ani nepředstavovali, že se někdy samostatně vypořádají s výpočty složitých systémů. Jedním z nápadných příkladů takových systémů je ventilace. Jeho výpočet je proces, který vyžaduje hlubokou znalost a pochopení zákonitostí a principů fungování systémů a také schopnost tyto znalosti aplikovat v praxi.

Specializované programy pro výpočet ventilace jsou počítačové aplikace nebo online služby, které poskytují možnost rychle a přesně provádět všechny potřebné výpočty související s návrhem a provozem ventilačních systémů. Jsou navrženy tak, aby řešily problémy spojené se systémy přirozeného nebo nuceného větrání a také poměrně složité procesy, jako je vyrovnávání proudění, určování aerodynamických parametrů a mnoho dalšího.

Příklady oblíbených programů pro výpočet ventilace:

• ENTS-Selection je aplikace pro návrh a výpočet větrání vyvinutá stejnojmennou společností. Program umožňuje určit vhodné zařízení pro ventilační systém a také provádět výpočty související s přesným rozložením proudění a aerodynamickými charakteristikami každé části systému.
• FlktGroup SELECT. Jedná se o komplexní řešení pro návrh a výpočet ventilačních systémů, vyvinuté švédským výrobcem vzduchotechnických zařízení. Program poskytuje možnost pracovat s profesionálními projekty, od konceptu až po detailní 3D modely.
• TRACE 700. Jedná se o komplexní řešení pro analýzu a výpočet ventilačních systémů. S jeho pomocí můžete provádět výpočty spotřeby energie a také optimalizovat náklady na ventilační zařízení a provoz systému.

Výhody použití specializovaných programů pro výpočet ventilace:

• Snadnost a rychlost. Nemusíte ztrácet čas studiem četných tabulek s koeficienty a vzorci. Specializované programy umožňují vypočítat ventilační systém ve velmi krátkém čase, což umožňuje snížit čas strávený projektováním.
• Přesnost a spolehlivost. Programy pro výpočet ventilace jsou navrženy tak, že zohledňují mnoho parametrů a faktorů, což zajišťuje vysokou přesnost výpočtů a spolehlivost prezentovaných výsledků. To je velmi důležité při navrhování ventilačního systému, protože nepřesnosti ve výpočtech mohou vést k vážným problémům při dalším provozu systému.
• Dobrá vizualizace. Mnoho programů pro výpočet ventilace poskytuje možnost vytvářet trojrozměrné modely, což usnadňuje vnímání a zjednodušuje komunikaci se zákazníky a účinkujícími ve fázi návrhu a instalace systému.

Můžete si u nás objednat vypracování projektu a také zjistit ceny za instalaci větrání v soukromém sektoru.

Výpočet výměny vzduchu je ústředním úkolem, který vzniká během návrhu, protože právě výměna vzduchu určuje spotřebu energie a materiálu větracího systému.

Obr. 1. K výpočtu kt metodou zónových bilancí

Obr. 2. Možné rozložení nadměrné teploty podle výšky místnosti

Termín „výměna vzduchu“ používáme ve dvojím smyslu. Na jedné straně se jedná o pohyb vzduchu, v jehož důsledku se v objemu místnosti vytváří určité rozložení parametrů (rychlost, teplota, koncentrace nečistot); na druhé straně je výměna vzduchu kvantitativním měřítkem tohoto procesu. Povaha pohybu a hodnoty parametrů závisí na zvoleném schématu přívodu a odvodu vzduchu, tepelných vlastnostech obvodových konstrukcí, umístění, geometrii a technologických charakteristikách zdrojů škodlivých emisí a intenzitě výměny vzduchu.

Zde se zaměříme na stanovení požadované hodnoty výměny vzduchu, při které se v pracovní oblasti místnosti vytvářejí pole normovaných hodnot parametrů. Základní přístup k řešení problému spočívá v uvažování soustavy diferenciálních rovnic turbulentního pohybu pro oblast, ve které dochází k proudění. Taková soustava se skládá z: rovnic zachování hmotnosti vzduchu a nečistot; rovnic zachování hybnosti; rovnic zachování energie; rovnic zachování momentu hybnosti; rovnic plynného stavu.

Soustava rovnic je doplněna okrajovými podmínkami (jsou zadány hodnoty hledaných parametrů nebo jejich derivací, případně lineární kombinace obou na hranicích studované oblasti) a je řešena numericky. Je známo, že soustava uvedených rovnic není uzavřená, protože počet neznámých (průměrovaných a pulzujících hodnot tlaků, rychlostí, teplot a koncentrací) v ní obsažených převyšuje počet rovnic.

Proto jsou dodatečně zavedeny rovnice modelů turbulence, které propojují průměrované a pulzující charakteristiky proudění a vztahy vyplývající z úvah o dimenzionalitě. Tyto vztahy obsahují řadu empirických konstant, jejichž hodnoty jsou voleny tak, aby výsledky numerického výpočtu odpovídaly experimentu.

Dnes existuje řada programů, které implementují metody výpočetní dynamiky tekutin (CFD) a umožňují inženýrovi bez speciálního matematického vzdělání formulovat a řešit problém, jakož i zpracovat a zobecnit výsledky jeho řešení. Mezi takové programy patří Fluent, Star-CD, CFX, Flow 3D, Phoenics.

Fluent je v Rusku nejrozšířenější, ale postup pro zadání úlohy, její řešení a následný výpočet je u všech těchto programů podobný. Nastavením umístění přívodních a odvodních otvorů a také hodnoty výměny vzduchu zjistíme v důsledku řešení rozložení rychlosti, nadměrné teploty a koncentrace nečistot v objemu místnosti, včetně pracovního prostoru.

Analýza těchto rozdělení nám umožňuje vyvodit závěr o přijatelnosti specifikovaných ventilačních podmínek. Pokud získaná rozdělení neodpovídají standardním, je třeba změnit výměnu vzduchu nebo její organizační schéma, případně obojí. Při takové formulaci problému se výměna vzduchu určuje přímo porovnáním vypočítaných rozdělení parametrů v pracovní oblasti se standardními hodnotami.

Zde není nutné provádět samostatný výpočet rozložení vzduchu. Formulace a řešení problémů při návrhu větrání reálných objektů jsou poměrně složité, protože se jedná o trojrozměrné problémy. Navíc při formulaci okrajových podmínek není zdaleka vždy možné zohlednit reálné rozložení parametrů na hranicích oblasti s dostatečnou úplností.

Existuje však mnoho příkladů implementace popsaného přístupu [1, 2]. Existují dostatečné důvody k tomu, aby se takové výpočty v blízké budoucnosti široce používaly v projekční praxi. V současné době se k výpočtu výměny vzduchu používají bilanční rovnice, což jsou rovnice pro zachování hmotnosti vzduchu, hmotnosti nečistot a rovnice pro zachování energie, zapsané pro celý objem místnosti.

Zastavme se u případu, kdy se do místnosti uvolňuje pouze citelné teplo Q._я [W] – všeobecná výměnná ventilace. Z tepelné bilance místnosti pak vyplývá, že požadovaná výměna vzduchu:

kde c_p — měrná tepelná kapacita vzduchu, J/(kg⋅K); t_ud a t_пр — teplota vzduchu odváděného z místnosti a přiváděného vzduchu, K. Výpočet výměny vzduchu se tedy v podstatě redukuje na určení teploty vzduchu odváděného z místnosti. Tento problém je po celá desetiletí středem zájmu mnoha výzkumníků, ale dosud nenašel uspokojivé řešení.

Z výrazu (1) vyplývá

kde V je objem místnosti, m3; кр je rychlost (intenzita) výměny vzduchu, l/s; ρ je hustota přiváděného vzduchu, kg/m1. Hodnota q_G = Q_я/G [J/kg] lze nazvat tepelným namáháním výměny vzduchu; q_V = Q_я/V [W/m3] – tepelné namáhání místnosti. Z vzorce (2) vyplývá, že pro danou geometrii a termofyzikální vlastnosti obvodových konstrukcí, geometrické a technologické charakteristiky zdrojů tepla je hodnota Δt_ud závisí pouze na tepelném namáhání místnosti a rychlosti výměny vzduchu.

Podívejme se na existující metody pro stanovení tуд. Známý vzorec je založen na myšlence lineárního nárůstu teploty podél výšky místnosti [3]:

kde H a H_rz — výška místnosti a výška pracovní plochy, m. Takové rozdělení je v principu možné při organizaci výměny vzduchu podle schématu „zdola nahoru“ – „objemové větrání“ (DV). Hodnoty grad(t) jsou uvedeny v [3] v závislosti na tepelném namáhání místnosti qV. Z rozměrových důvodů by správný zápis funkčního vztahu pro grad(t) měl být následující:

Hodnoty gradientu uvedené v [3] byly zřejmě získány v experimentech v plném rozsahu při určitých hodnotách výměny vzduchu a výšky místnosti. Protože tyto hodnoty nejsou specifikovány, nelze tyto údaje použít.

Jiný způsob, jak určit t_ud na základě měření rozložení teploty podél výšky místností v přírodních nebo laboratorních podmínkách.

V reálné místnosti (nebo v modelu místnosti) s určitým uspořádáním a technologickým vybavením při určité intenzitě a schématu organizace výměny vzduchu se měří teploty vzduchu (t)._пр, T_rz, T_ud) a hodnota komplexu se vypočítá:

Fyzický význam vztahu se vyjasní, pokud jej znázorníme následovně:

Jmenovatel nyní obsahuje množství tepla asimilovaného přiváděným vzduchem na jeho cestě z místa jeho přívodu do pracovního prostoru a dále k jeho výstupu. Čitatel obsahuje množství tepla asimilovaného přiváděným vzduchem na celé jeho cestě od místa přívodu do místa odvodu, tj.:

kde ΔQ_do — teplo asimilované přiváděným vzduchem na jeho cestě z místa přívodu do vstupu do pracovního prostoru. Čím delší je cesta, kterou přiváděný vzduch ujde do pracovního prostoru, tím větší je hodnota ΔQ_do a méně než k_tPokud je z pracovního prostoru odstraněn vzduch (t_ud =t_rzK_t = 1), to znamená, že přívodní proud přenáší teplo z horní zóny do pracovní zóny, je realizována situace Q_rz = Q_я.

Tento typ organizace výměny vzduchu se nazývá „směšovací větrání“ (MS). V případě, že je vzduch přiváděn do pracovního prostoru a odváděn z horní části:

tj. m je podíl tepla vstupujícího do pracovní zóny. Pak hodnota k_t maximální a požadovaná výměna vzduchu je minimální. V každém případě simplex k_t charakterizuje rozložení tepelných toků, a tedy i teplot v objemu místnosti. V místnostech stejné geometrie se stejným technologickým uspořádáním a schématem organizace výměny vzduchu platí hodnoty k_t, a proto bude rozložení tepelných toků a teplot podle výšky stejné.

hodnoty k_t pro místnosti s významnými tepelnými přebytky a vytlačovacím větráním jsou uvedeny v práci [4] bez uvedení vlivu intenzity výměny vzduchu. Jsou tam také uvedeny hodnoty k._t pro místnosti s „drobnými“ přebytky tepla s různými schématy organizace výměny vzduchu a pro různé rozsahy změn násobnosti. V tomto případě by se výpočet výměny vzduchu měl provést následovně.

Přijetím určitého schématu pro organizaci výměny vzduchu a určením multiplicity určíme k_t a dále t_udPoté se zjistí výměna vzduchu a skutečná multiplicita. Iterace pokračují, dokud se přiřazená a vypočítaná multiplicita neshodují. Zůstává nejasné, co znamenají „nevýznamné“ tepelné přebytky. Problém je v tom, že neexistují absolutně identické místnosti ve všech smyslech, a proto hodnoty k_t, získané v experimentech, by měly být považovány za čistě orientační.

Analytický přístup k určení hodnoty t_ud demonstruje metodu „pózových bilanc“ vyvinutou profesorem G. M. Pozinem [5]. Podstata metody je následující. Objem větrané místnosti je rozdělen do zón, jejichž hodnoty teploty lze považovat za konstantní nebo měnící se podle známých závislostí. Pro každou zónu jsou zapsány rovnice tepelné bilance.

Řešení soustavy rovnic dává požadovanou hodnotu k_t a proto t_udUveďme příklad analýzy, převzatý z práce [5], pro situaci znázorněnou na Obr. 1. Vzduch je do místnosti přiváděn systémem obecné výměny vzduchu v množství G_пр s teplotou t_пр do pracovního prostoru. Lokální odsávání: průtok — G_mv, teplota t_rz a obecná výměna z horní zóny – G_s, T_udMístnost má zdroj tepla s celkovou kapacitou:

Konvekční složka Q_к tvoří vzestupný tepelný paprsek, jehož parametry v blízkosti výfukového otvoru G_к, T_кTento proud je částečně odváděn výfukem z obecné výměny a částečně v množství G = G_к – G_s vstupuje do horní zóny. Sálavé teplo se rozděluje v objemu místnosti mezi pracovní a horní zónu:

Složky tohoto součtu závisí komplexním způsobem na velikostech, tvarech, prostorové poloze a černé barvě povrchů vyzařujících a přijímajících teplo. Rozdělme objem místnosti do tří zón a zapišme pro ně rovnice tepelné bilance.

Já – pracovní prostor. Teplota vně přímého působení paprsku je zde považována za konstantní – t_rzParametry proudu na výstupu z pracovní oblasti – G_stránku, T_stránku:

Výraz v závorkách na levé straně udává průtok vzduchu z horní zóny, který napájí trysku a kompenzuje lokální odsávání. První člen na pravé straně udává teplo odváděné z pracovní zóny do horní zóny tryskou; druhý člen udává teplo odváděné z pracovní zóny lokálním odsáváním.

II – horní zóna. Zde uvažujeme teplotu jako konstantní a rovnou t_do:

První člen vlevo představuje teplo vstupující do horní zóny s částí konvekčního proudu, která není zachycena výfukem z obecné výměny. Poslední člen vpravo představuje teplo opouštějící horní zónu s prouděním napájejícím konvekční proud. Význam ostatních členů rovnice je vysvětlen výše.

III – konvekční proud:

Dále také předpokládáme, že

Hodnoty průtoků v přívodním a konvekčním proudu G_stránku a G_к, stejně jako hodnoty nadměrných teplot

jsou určeny známými závislostmi pro tryskové proudění [4].

Řešení soustavy rovnic (10)–(14) dává výraz:

Pro místnosti, kde jsou po ploše rozmístěny zdroje tepla s nízkým výkonem, vedou podobné závěry k výrazu:

Vzorce stejného významu pro různá schémata organizace výměny vzduchu jsou obsaženy v práci [4]. Uvedená řešení nelze považovat za vyčerpávající pro problém určení t_ud, protože vzorce (15–16) obsahují neznámé hodnoty Q_lrz a G_прPodíl sálavého tepelného toku Q — _lrz Doporučuje se počítat z velmi nerigorózních úvah. Hodnota G_пр je přiřazeno v podstatě libovolně, pak se vypočítá k_t a dále G_пр podle vzorce:

Tento výpočet pokračuje, dokud se přiřazená a nalezená hodnota G neshodují_пр.

Pravděpodobné rozložení nadměrné teploty podle výšky místnosti s vytlačovací ventilací je znázorněno na obr. 2a. Funkce odpovídající takovému rozložení je:

jak vyplývá z rovnice tepelné bilance;

Kombinací rovností (18) a (19) získáme následující výraz:

Z rovnice (19) vyplývá, že:

Exponent n zjevně závisí na bezrozměrném komplexu veličin, které určují termohydrodynamickou situaci v místnosti:

kde П je bezrozměrný parametr odrážející charakteristiky procesů výměny tepla a ovlivňující rozložení tepelných toků a teplot podle výšky místnosti. Například v místnosti, kde velkou část tepelného vstupu tvoří sluneční záření přes nátěr, se téměř veškeré konvektivní tepelné emise koncentrují v horní zóně.

V tomto případě lze realizovat rozložení nadměrné teploty znázorněné na obr. 2b, když v určité výšce H_T vzniká tzv. „teplotní skok“. Stejná situace je možná, pokud jsou v pracovním prostoru silné zdroje tepla a výměna vzduchu je nízká. Pravděpodobná hodnota n se pohybuje v rozmezí 0,4–1,0. Čím větší n, tím větší k_t, to znamená, že se snižuje podíl tepla vstupujícího do pracovní oblasti.

Pro určení konkrétního typu závislosti (22) je nutné provést systematický numerický nebo laboratorní experiment. Obdobně pro místnosti s emisemi tepla a vlhkosti:

a pro místnosti s emisemi různých „lehkých“ plynů:

kde Q_п — celkové uvolněné teplo, V_тM — emise plynů, mg/s; ΔJ_rz = J_rz – J_пр — nadměrná specifická entalpie, W⋅s/kg; MPC — maximální přípustná koncentrace nečistot, mg/kg. Z jednoduchých úvah vyplývá, že l ≈ n. Závislost pro k by měla mít tvar:

kde ρ_г a ρ_в — hustota plynu a vzduchu, kg/m3. I zde je zapotřebí systematický experiment. Z výše uvedeného přehledu je zřejmé, že výpočet výměny vzduchu stále zůstává nevyřešeným problémem. Možná by se měla diskutovat o alternativní metodě, ve které by se výpočty výměny vzduchu a distribuce vzduchu spojily.

Poté se pro zvolené schéma organizace výměny vzduchu, typ a počet rozdělovačů vzduchu stanoví podmínky tryskového proudění, za kterých budou v pracovní oblasti zajištěny standardní hodnoty rychlosti a překročení teploty. V tomto případě se zadá jedna z podmínek (rychlost nebo rozměry rozdělovače vzduchu) a druhá se určí výpočtem.

Tím se určí průtok na jeden rozdělovač vzduchu a následně výměna vzduchu pro místnost jako celek. Otázkou je. _ud zde vůbec nevzniká. Pokud je to nutné, například pro výpočet zařízení pro rekuperaci tepla, hodnota tуд se určí podle vzorce (2).

1. Grimitlin A.M., Datsyuk T.A., Denisikhina D.M. Matematické modelování při návrhu ventilačních a klimatizačních systémů. – Petrohrad: Vydavatelství “AVOK Severozápad”, 2013.
2. Posokhin V.N. Aerodynamika ventilace. – M.: AVOK-Press, 2008.
3. Bogoslovský V.N. a další. Vytápění a větrání: Učebnice pro vysoké školy. Část II. – M.: Strojizdat, 1976.
4. Větrání a klimatizace: Referenční projekt. Kniha 2 / Editovali N. N. Pavlov a Ju. I. Schiller. – M.: Strojizdat, 1992.
5. Pozin G.M. Stanovení množství přiváděného vzduchu pro průmyslové prostory s mechanickým větráním: Doporučená metoda. VNIIOT VTsSPS. – L., 1983.