CC BY
70
DOI: 10.21122/2227-1031-2017-16-2-125-130 УДК 697.92
Определение воздухообмена в помещениях общественных зданий с большой площадью светопрозрачных конструкций
Канд. техн. наук, доц. Л. В. Борухова1), инж. А. С. Шибеко1)
^Белорусский национальный технический университет (Минск, Республика Беларусь)
© Белорусский национальный технический университет, 2017 Бе1аг^ап National Technical University, 2017
Реферат. Рассмотрены причины несоответствия параметров внутреннего воздуха в теплый период года для помещений общественных зданий с большой площадью светопрозрачных конструкций. Основная причина некомфортной воздушной обстановки - заниженное значение расхода приточного воздуха из-за расчета воздухообмена по кратно-стям или норме воздухообмена на одного сотрудника, которые являются определяющей величиной только для холодного периода и переходных условий. То есть кратности и норма воздухообмена не учитывают насыщенность современных офисов оборудованием, теплопоступления от которого составляют значительную величину. Проведены анализ и сравнение существующих норм воздухообмена для Республики Беларусь, Российской Федерации, стран Европы и США. Выполнен расчет поступлений теплоты и воздухообмена для помещения общественного здания в теплый период года для ассимиляции избытков явной теплоты при различных ориентациях свегопрозрачного фасада; приведена структура теплопоступлений в помещение. Исходя из воздухообмена, определена требуемая норма расхода приточного воздуха на одного сотрудника, произведено сравнение с существующей нормой воздухообмена. Требуемая норма превышает нормативную в среднем в 12 раз. Но данное обстоятельство не говорит о необходимости увеличения нормы во столько раз, так как это повлечет повышение капитальных и эксплуатационных затрат. В связи с этим рассмотрены варианты улучшения микроклимата в помещениях зданий с большой площадью светопрозрачных конструкций: автоматическое регулирование теплоотдачи отопительных приборов в холодный период года; использование кондиционирования воздуха и увеличение разности температур приточного и удаляемого воздуха в теплый период.
Ключевые слова: воздухообмен, теплопоступления, микроклимат, общественные здания, светопрозрачные конструкции
Для цитирования: Борухова, Л. В. Определение воздухообмена в помещениях общественных зданий с большой площадью светопрозрачных конструкций / Л. В. Борухова, А. С. Шибеко // Наука и техника. 2017. Т. 16, № 2. С. 125-130. DOI: 10.21122/2227-1031-2017-16-2-125-130
Determination of Air Exchange in Public Building Premises Having Large Area of Translucent Structures
L. V. Borukhava1), A. S. Shybeka1)
1)Belarusian National Technical University (Minsk, Republic of Belarus)
Abstract. The paper considers reasons of internal air parameter mismatch in warm season of the year for public building premises having large area of translucent structures. The main reason of uncomfortable air environment is an underestimated value of air supply volume due to air exchange calculation according to multiplicity factor or air exchange rate per one person which are determinative values only for cold period and transient conditions. In other words multiplicity factor and air exchange rate do not take into account equipment abundance in modern offices and heat input of the office equipment is rather significant value. The paper contains an analysis and comparison of the existing air exchange rates for the Republic
Адрес для переписки
Борухова Лилия Владимировна
Белорусский национальный технический университет
просп. Независимости, 150,
220013, г. Минск, Республика Беларусь
Тел.: +375 17 265-97-29
Наука
иТ ехника. Т. 16, № 2 (2017)
Address for correspondence
Borukhava Liliya V.
Belarusian National Technical University 150 Nezavisimosty Ave., 220013, Minsk, Republic of Belarus Tel.: +375 17 265-97-29 [email protected]
of Belarus, Russian Federation, European countries and USA. Calculation of heat input and air exchange for public building premises during warm season of the year for assimilation of evident heat excess has been made at various orientations of curtain walls. The paper provides structure of heat input into premises. The required rate of air supply volume per one person has been determined on the basis of air exchange and it has been compared with the existing air exchange rate. The required rate averagely exceeds the standard one by 12-fold. But this does not mean that there is necessity to increase the rate in such a way because it entails an increase in capital and operational costs. In this connection the paper reviews variants for improvement of micro-climate in the building premises with large area of translucent structures: automatic regulation of heat transfer in heating appliances during cold period of the year; usage of air conditioning and increase in temperature difference of input and output air during warm period..
Keywords: air exchange, heat input, microclimate, public buildings, translucent structures
For citation: Borukhava L. V., Shybeka A. S. (2017) Determination of Air Exchange in Public Building Premises Having Large Area of Translucent Structures. Science and Technique. 16 (2), 125-130. DOI: 10.21122/2227-1031-2017-16-2-125-130 (in Russian)
При обследовании общественных зданий, особенно с большой площадью светопрозрач-ных конструкций, зачастую можно наблюдать несоответствие требуемых метеорологических условий в помещениях в теплый период года. Это связано не только с недостатками в эксплуатации систем вентиляции, но и с некоторыми особенностями, которые необходимо учитывать при проектировании систем вентиляции.
Основной причиной несоответствия метеорологических условий являются недостаточные расходы приточного и удаляемого воздуха, из-за чего не вся выделяющаяся в помещениях избыточная теплота ассимилируется. Причиной этому может быть следующее: при определении воздухообмена большинства помещений общественных зданий расчет ведется посредством кратности воздухообмена п, ч-1, показывающей расход приточного или удаляемого воздуха, который должен поступать или удаляться из помещения в течение часа, отнесен-
ный к внутреннему объему помещения. Зачастую также используют нормативный объем наружного приточного воздуха (норму воздухообмена), который должен подаваться в час для одного сотрудника. Данную величину могут относить к площади пола помещения.
В настоящее время величина кратности воздухообмена для различных помещений общественных зданий нормируется в соответствии с [1]. Значения кратности воздухообмена для рабочих комнат (офисов), использующиеся в практике проектирования Республики Беларусь, а также сравнение с величинами, применяемыми в российской и зарубежной практике, представлены в табл. 1.
Однако приведенная в [1] величина, рассчитанная для холодного периода года, не учитывает возросшую с того времени насыщенность офисов разнообразной оргтехникой: компьютерами, принтерами, копировальными аппаратами и пр.
Таблица 1
Значение нормы воздухообмена для офисов [1-6] Value of air exchange rate for offices [1-6]
Наименование документа Норма воздухообмена Примечание
м3/(ч-чел.) м3/(ч-м2)
Общественные здания и помещения административного назначения. Правила проектирования. ТКП 45-3.02-189-2010 (02250) (Республика Беларусь) 20,0 3,3 1. При норме площади на одного сотрудника 6 м2. 2. Допускается принимать для расчетов 4 м3/(ч-м2)
Общественные здания административного назначения. СНиП 31-05-2003 (Российская Федерация) 20,0 3,3 1. При норме площади на одного сотрудника 6 м2. 2. Допускается принимать для расчетов 4 м3/(ч-м2)
Здания жилые и общественные. Нормы воздухообмена. СТО НП «АВОК» 2.1-2008 (Российская Федерация) 60,0 10,0 При норме площади на одного сотрудника 6 м2
Ventilation for Acceptable Indoor Air Quality. ASHRAE Standard 62.1-1999 (США) 36,0 2,6 При норме площади на одного сотрудника 14 м2
Ventilation for Acceptable Indoor Air Quality. ASHRAE Standard 62.1-2013 (США) 30,6 1,5 При норме площади на одного сотрудника 20 м2
Indoor Air Quality, Thermal Environment, Lighting and Acoustics. EN 15251-2007 36,0-43,0 2,9/3,6 При норме площади на одного сотрудника 15 м2 для больших офисов и 10 м2 - для персональных офисов
Наука
итехника. Т. 16, № 2 (2017)
Значения теплопоступлений от некоторого офисного оборудования приведены в табл. 2. Как видно из табл. 2, теплопоступления от офисного оборудования довольно значительны, и их необходимо учитывать в тепловом балансе помещения.
Вторая причина - норма воздухообмена - не учитывает теплопоступления от солнечной радиации через заполнение световых проемов, которые для общественных зданий с большой площадью светопрозрачных конструкций значительны. Средние за световой день теплопоступления через световой проем с однокамерным энергосберегающим стеклопакетом в пя-тикамерном ПВХ-переплете размерами 1x1 м приведены в табл. 3.
В-третьих, в норме воздухообмена не учтен тепловой поток, поступающий от искусственного освещения, которое зачастую продолжает работать и в теплый период года.
В целях установления реального значения нормы воздухообмена был произведен расчет теплопоступлений в помещение офиса размерами 12,5x8 м (площадь 100 м2) и высотой 3 м, расположенного в городе Минске, при различных вариантах ориентации остекления. В офисе работают 16 сотрудников, причем каждый имеет персональный компьютер (число сотрудников определено исходя из нормы площади на
Расчетные теплопоступления от Calculated heat input fi
одного сотрудника (6 м2/чел.) в соответствии с табл. Б.3 [8]). Кроме того, имеются офисный копировальный аппарат и лазерный принтер. Вместо наружной стены устроен светопрозрач-ный фасад из системных профилей, выполненных из алюминия, с заполнением двухкамерным энергосберегающим стеклопакетом (сопротивление теплопередаче фасада Rп = 1,0 м2°С/Вт) размерами 3x1 м. Конструкция межэтажного перекрытия - уложенный на железобетонную многопустотную плиту (толщина 220 мм) дубовый паркет толщиной 25 мм. Перегородки -оштукатуренная кирпичная кладка толщиной в полкирпича. Искусственное освещение в теплый период не работает.
Суммарные теплопоступления EQ, Вт, определяли по выражению
£ Q = 0л + 0об + ÖII, (1)
где 0л - теплопоступления от персонала, Вт, зависящие от количества работников, категории работ и температуры в помещении [9]; 0об - теплопоступления от офисного оборудования, Вт, с учетом средневзвешенного по площади помещения коэффициента неравномерности 0,46 [7]; Qu - теплопоступления от солнечной радиации через заполнение свето-прозрачного фасада, Вт [9-11].
Таблица 2
оторого офисного оборудования [7] some office equipment [7]
Наименование офисного оборудования Расчетное теплопоступление 0об, Вт
Компьютер (с монитором) 110
Настольный лазерный принтер в режиме работы 1 стр./мин 100
Настольный лазерный принтер в режиме простаивания 35
Малый офисный лазерный принтер в режиме работы 1 стр./мин 160
Малый офисный лазерный принтер в режиме простаивания 70
Настольный копировальный аппарат в режиме работы 1 стр./мин 85
Настольный копировальный аппарат в режиме простаивания 20
Офисный копировальный аппарат в режиме работы 1 стр./мин 400
Офисный копировальный аппарат в режиме простаивания 300
Факс в непрерывном режиме работы 30
Факс в режиме простаивания 15
Сканер в непрерывном режиме работы 25
Сканер в режиме простаивания 15
Таблица 3
Средние за световой день теплопоступления от солнечной радиации Average value of daylight heat input from solar radiation
Наименование величины Теплопоступление при ориентации остекления
С СВ В ЮВ Ю ЮЗ З СЗ
Средний за световой день тепловой поток через 1 м2 площади проема ^р, Вт/м2 -2,44 5,04 19,38 24,05 17,86 22,09 21,04 5,21
Наука
иТ ехника. Т. 16, № 2 (2017)
Результаты расчета для различных ориента-ций светопрозрачного фасада приведены в табл. 4, сравнение доли каждого вида теплопо-ступлений в суммарных теплопоступлениях -в табл. 5 и на рис. 1.
Из табл. 4, 5 и рис. 1 видно, что теплопо-ступления от офисного оборудования составляют значительную часть суммарных теплопоступ-лений, превышая каждый вид теплопоступле-ний в отдельности. Учет данной величины весьма важен в расчете воздухообмена помещений.
На основании расчета определен требуемый для ассимиляции избытков теплоты воздухообмен Ьтр, м3/ч, исходя из уравнения теплового баланса
LTp
3,6^ Q Ср('уд - 'пр У
(2)
где с = 1,005 кДж/(кг К), р = 1,2 кг/м3 - удельная изобарная теплоемкость и плотность воздуха соответственно; Гуд, ^ - температура удаляемого и приточного воздуха, °С.
В качестве расчетного принят перепад температур Гуд - ^др = 3 °С.
На основании расчета требуемого для ассимиляции избытков теплоты воздухообмена определена требуемая кратность воздухообмена и проведено ее сравнение с нормативной. Результаты нахождения требуемого воздухообмена и сравнение норм воздухообмена приведены в табл. 6 и на рис. 2.
Как видно из табл. 6, требуемая норма воздухообмена для теплого периода в среднем в 12 раз превышает нормативную. Причины этого следующие:
1) нормы воздухообмена рассчитаны для холодного периода года исходя из выделяющихся от одного человека вредностей, поэтому они не учитывают тепловыделения от офисного оборудования, которые, как видно из табл. 5 и рис. 1, весьма значительны (в данном примере 41 %);
2) норма воздухообмена не учитывает тепло-поступления от солнечной радиации, которые в теплый период года могут достигать значительной величины в зависимости от площади свето-прозрачных конструкций (в данном примере теп-лопоступления составляют 30 % общих).
Для решения рассматриваемой проблемы в теплый период года необходимо увеличить норму воздухообмена.
Таблица 4
Суммарные теплопоступления в помещение офиса Total heat input for office space
Теплопоступление Величина теплопоступления, Вт, при ориентации фасада
С СВ В ЮВ Ю ЮЗ З СЗ
От людей Qjj 1130
От оборудования Qo6 1633
Через заполнение свегопрозрачного фасада Q„ 86 750 1421 1568 1365 1478 1811 1050
Суммарные теплоизбытки ZQm6 2849 3513 4184 4331 4128 4241 4574 3813
Таблица 5
Средние величины теплопоступлений и доля каждого вида из них в суммарных теплопоступлениях Average values of heat input and proportion of its each type in total heat input
Среднее значение величины теплопоступления, Вт Доля каждого вида
Теплопоступление теплопоступления в суммарных
теплопоступлениях, %
От людей Qjj 1130 29
От оборудования Qa6 1633 41
Через заполнение свегопрозрачного фасада Qn 1191 30
Суммарные теплоизбытки ZQm6 3954 100
Наука
итехника. Т. 16, № 2 (2017)
Теплопоступления через заполнение шрозрач фасада
Теплопоступления от людей
Теплопоступления от оборудования
Рис. 1. Структура теплопоступлений в помещение Fig. 1. Structure of heat input into office premises
Таблица 6
Сравнение требуемого и нормативного воздухообмена Comparison of the required and normative air rates
Наименование показателя Воздухообмен при ориентации фасада
С СВ В ЮВ Ю ЮЗ З СЗ Средняя величина
Требуемый расход воздуха LTO, м3/ч 2835 3495 4165 4310 4105 4220 4550 3795 3935
Требуемая норма воздухообмена Lp, м3/(ч-чел.) 177,2 218,4 260,3 269,4 256,6 263,8 284,4 237,2 245,9
Ц* м3/(ч-м2) 28,4 35,0 41,7 43,1 41,1 42,2 45,5 38,0 39,4
Нормативная норма воздухообмена L7H, м3/(ч-чел.) 20,0 20,0 20,0 20,0 20,0 20,0 20,0 20,0 20,0
L™'™, м3/(ч-м2) 3,3 3,3 3,3 3,3 3,3 3,3 3,3 3,3 3,3
Превышение требуемой нормы над нормативной На одного сотрудни-ка(т = L* / L7H) 8,9 10,9 13,0 13,5 12,8 13,2 14,2 11,9 12,3
На 1 м2 (m = / Ц7рм) 8,6 10,6 12,6 13,1 12,5 12,8 13,8 11,5 11,9
¿уд, м /(ч-чел.) 300
250
200
150
100
50
0
ЮВ Ю ЮЗ З СЗ Средняя Ориентация величина
Требуемая норма воздухообмена на одного сотрудника Нормативная норма воздухообмена на одного сотрудника
уд, м3/(ч-м2)
45
L'.
юв ю юз з сз СРедаяя
Ориентация млмина
Требуемая норма воздухообмена, отнесенная к площади Нормативная норма воздухообмена, отнесенная к площади
Рис. 2. Сравнение требуемой и нормативной нормы воздухообмена при различной ориентации фасада: а - на одного сотрудника;
b - отнесенная к площади помещения Fig. 2. Comparison of the required and normative norms of air rates at different orientations of the facade: a - per one worker; b - ascribed to the area of the room
Однако из этого не следует, что ее нужно увеличивать в 12 раз, поскольку это чревато значительными затратами на вентиляционное оборудование (увеличение размеров воздуховодов, более мощные вентиляторы и пр.) и, как следствие, затратами электроэнергии. В таком случае необходимо устройство кондиционирования воздуха помещений для ассимиляции избытков теплоты, не ушедшей с приточным воздухом.
В холодный период года норма воздухообмена в помещении может оставаться прежней. Но в данном случае необходимо предусматривать автоматическую регулировку теплоотдачи отопительных приборов в каждом помещении.
Для снижения нормы воздухообмена также можно предусмотреть уменьшение расчетной разности температур приточного и удаляемого воздуха, в результате чего расход приточного воздуха в соответствии с (2) снизится.
Однако уменьшение температуры приточного воздуха может отрицательно сказаться на метеорологических условиях в помещении и возникновением дискомфорта у персонала. Поэтому данный вопрос должен решаться совместно с выбором рациональной схемы распределения воздуха в помещении и расположения в нем воздухораспределителей.
Наука
иТ ехника. Т. 16, № 2 (2017)
ВЫВОДЫ
1. Существующая норма воздухообмена для помещений общественных зданий (20 м3/(ччел.)) не обеспечивает эффективного воздухообмена для удаления избыточной теплоты в помещении, так как она рассчитана для холодного периода года и не учитывает тепловыделения от офисного оборудования. Требуемый расход воздуха превышает нормативный в среднем в 12 раз.
2. Для холодного периода года кратность может оставаться прежней, однако при проектировании системы отопления необходимо предусмотреть автоматическое регулирование теплоотдачи отопительных приборов.
3. В теплый период года бороться с избыточной теплотой можно двумя способами, причем в любом случае необходимо увеличение кратности воздухообмена (не обязательно в 12 раз, так как это сопряжено с увеличением капитальных и эксплуатационных затрат). Первый способ заключается в применении кондиционирования воздуха для ассимиляции избытков теплоты, второй - в увеличении разности температур удаляемого и приточного воздуха. Реализация второго способа должна решаться с выбором рациональной схемы раздачи приточного воздуха.
ЛИТЕРАТУРА
1. Общественные здания и помещения административного назначения. Правила проектирования: ТКП 45-3.02189-2010 (02250). Введ. 01.01.2011. Минск: Мин-стройархитектуры, 2011. 24 с.
2. Общественные здания административного назначения: СНиП 31-05-2003. Введ. 01.09.2003. М.: Госстрой России, 2006. 22 с.
3. Здания жилые и общественные. Нормы воздухообмена: СТО НП «АВОК» 2.1-2008. Введ. 01.06.2004. М.: НП «АВОК», 2008. 16 с.
4. Ventilation for Acceptable Indoor Air Quality: ASHRAE Standard 62.1-1999. Atlanta GA: ASHRAE Inc., 1999. 27 p.
5. Ventilation for Acceptable Indoor Air Quality: ASHRAE Standard 62.1-2013. Atlanta GA: ASHRAE Inc., 2013. 52 p.
6. Indoor Air Quality, Thermal Environment, Lighting and Acoustics: EN 15251-2007. Date Approved: 26.03.2007. Brüssel: CEN, 2007. 50 p.
7. Wilkins, C. Учет в тепловом балансе теплопоступле-ний от офисного оборудования / C. Wilkins, M. Hosni // АВОК. 2003. № 3. С. 70-79.
8. Требования при работе с видеодисплейными терминалами и электронно-вычислительными машинами: утв. М-вом здравоохранения Республики Беларусь 28.06.2013 № 59. Минск: Республиканский центр гигиены, эпидемиологии и общественного здоровья, 2013. 32 с.
9. Внутренние санитарно-гигиенические устройства: в 3 ч. / В. Н. Богословский [и др.]; под ред. Н. Н. Павлова, Ю. И. Шиллера. М.: Стройиздат, 1992. Ч. 3. Вентиляция и кондиционирование воздуха. Кн. 1. 319 с.
10. Теплоснабжение и вентиляция / Б. М. Хрусталев [и др.]; под. общ. ред. Б. М. Хрусталева. 3-е изд., испр. и доп. М.: Изд-во АСВ, 2008. 784 с.
11. Расчет поступления теплоты солнечной радиации в помещение: Пособие 2.91 к СНиП 2.04.05-91 / утв. ордена Трудового Красного Знамени арендным предприятием «Промстройпроект» 01.01.1993. М.: Промстрой-проект, 1993. 35 с.
Поступила 23.06.2016 Подписана в печать 26.08.2016 Опубликована онлайн 28.03.2017
REFERENCES
1. TKP 45-3.02-189-2010 (02250). Public Buildings and Premises for the Purpose of Administration. Design Rules. Minsk, Ministry of Architecture and Construction, 2011. 24 (in Russian).
2. SNiP 31-05-2003 [Construction Rules and Regulations]. Public Buildings for the Purpose of Administration. Moscow, State Construction Committee of Russia, 2006. 22 (in Russian).
3. STO NP "AVOK" 2.1-2008 [Company Standard of NonCommercial Partnership "Russian Association of Engineers for Heating, Ventilation, Air-Conditioning, Heat-Supply and Building Thermal Physics"]. Residential and Public Buildings. Standards of Air Interchange. Мoscow, Publishing House AVOK, 2008. 16 (in Russian).
4. ASHRAE Standard 62.1-1999. Ventilation for Acceptable Indoor Air Quality. Atlanta GA: ASHRAE Inc., 1999. 27.
5. ASHRAE Standard 62.1-2013. Ventilation for Acceptable Indoor Air Quality. Atlanta GA: ASHRAE Inc., 2013. 52.
6. EN 15251-2007. Indoor Air Quality, Thermal Environment, Lighting and Acoustics. Brussel, CEN, 2007. 50.
7. Wilkins C., Hosni M. (2003) Thermal Balance Accounting of Heat Inputs from Office Equipment. AVOK [Russian Association of Engineers for Heating, Ventilation, Air-Conditioning, Heat-Supply and Building Thermal Physics], (3),P. 70-79 (in Russian).
8. Requirements for Execution of Works with Video Display Terminals and Electronic Computing Machines: Approved by Ministry of Health of the Republic of Belarus on 28.06.2013. Minsk: Republican Centre of Hygiene, Epidemiology and Public Health, 2013. 32 (in Russian).
9. Bogoslovskii V. N., Pirumov A. I., Posokhin V. N., Berezina N. I., Dvinyanikov V. V., Egiazarov A. G., Krup-nov B. A., Leskov E. A., Fialkovskaya T. A., Shaprit-skii V. N., Shilkrot E. O., Aleksandrov A. I., Kushel-man G. S., Moor L. F., Moshkin V. I., Nevskii V. V., Or-lov V. A., Petrov B. S., Pylaev E. N., Pavlov N. N. (ed.), Shiller Yu. I. (ed.) (1992) Internal Sanitary and Hygienic Devices. Part. 3: Ventilation and Air Conditioning. Book 1. Moscow, Stroyizdat Publ. 319 (in Russian).
10. Khrustalev B. M., Kuvshinov Yu. Ya., Kopko V. M., Mi-khalevich A. A., Dyachek P. I., Pokotilov V. V., Senke-vich E. V., Borukhova L. V., Pilyushenko V. P., Bazylen-ko G. I., Yurkov O. I., Artikhovich V. V., Pshonik M. G. (2008) Heat Supply and Ventilation. Course and Diploma Design. 3rd ed. Мoscow, ASV Publ. 784 (in Russian).
11. Guide 2.91 to SNiP 2.04.05-91. [Construction Rules and Regulations]. Input Calculation of Solar Radiation Heat Into Premises. Мoscow, Promstroyproyekt Publ., 1993. 35 (in Russian).
Received: 23.06.2016 Accepted: 26.08.2016 Published online: 28.03.2017
Наука
итехника. Т. 16, № 2 (2017)
