Особенности устройства систем отопления и вентиляции высотных зданий

Основным отличием зданий повышенной этажности от многоэтажных является их значительная высота, диктующая особые требования к инженерному оборудованию и, в частности, к той его части, которая предназначена для обеспечения необходимого микроклимата в помещениях.

Хотя каждое высотное здание индивидуально и требует индивидуальных решений систем отопления и вентиляции, существуют и общие требования к их проектированию. В первую очередь – это деление здания на зоны определенной высоты, или зонирование систем отопления по вертикали и использование приточновытяжной вентиляции.

Зонирование обеспечивает снижение гидростатического давления в системах отопления до той величины, которую способны выдержать установленные на нижних этажах зоны отопительные приборы и другие элементы системы. Поэтому высоту зоны определяет допустимое гидростатическое давление. Современное инженерное оборудование позволяет принимать высоту одной зоны не более 100 м. Опыт проектирования высотных зданий свидетельствует о том, что оптимальная высота зоны системы отопления – 80 м.

Понижение давления воды в системе отопления обеспечивается подключением к источнику теплоснабжения по независимой схеме посредством теплообменников, расположенных в ЦТП.

При эксплуатации систем отопления высотных зданий с высотой зоны 80–90 м имеет место непрерывное завоздушивание системы кислородом изза дегазации воды, вызываемой понижением давления (примерно до 1,5 бара) в самых верхних точках зоны. В связи с этим обязательным является применение деаэраторов, размещаемых в ЦТП, или автоматических воздухоотводчиков в верхней части зоны. Следует отметить, что в зонах высотой менее 60 м этот эффект не столь ощутим.

Опыт проектирования высотных сооружений свидетельствует о том, что в данном процессе значительная часть отводится исследованию аэродинамики здания, поскольку аэродинамическое воздействие на него окружающей среды является фактором повышенной опасности. Такие исследования проводятся путем физического моделирования в аэродинамической трубе специальной конструкции и математического моделирования с использованием разработанных для этих целей компьютерных программ. Моделирование позволяет корректировать архитектурную форму здания с учетом преобладающего направления ветра и его скорости, а также правильно размещать приточные и вытяжные отверстия систем вентиляции. Как известно, в каждом здании существует так называемая нейтральная зона, или зона равных давлений, ниже которой воздух за счет инфильтрации поступает внутрь здания. Выше нейтральной зоны происходит эксфильтрация внутреннего воздуха наружу, в связи с чем вентилирование помещений на верхних этажах затруднено. Для смещения нейтральной зоны вверх используются дефлекторы. Моделирование дает возможность получить необходимую форму дефлектора и вписать его в архитектуру здания (рис.1) [1].

Высотное здание создает вокруг себя зону повышенной опасности изза мощных турбулентных потоков воздуха, возникающих вдоль его внешних поверхностей. Эта турбулентность, например, может поднимать потоки дождя вблизи заветренной стороны сооружения вверх.

Системы естественной вентиляции, когда приток осуществляется через неплотности в оконных переплетах, форточки, фрамуги или открываемые окна, изза очень большого ветрового давления и значительных сил гравитации в высотках не применяются, так как не являются стабильными и безопасными. По этой причине в высотных многофункциональных комплексах как в их жилой, так и в общественной частях используется механическая приточновытяжная вентиляция: приток осуществляется в жилые комнаты, а вытяжка – из кухонь, ванных комнат, санузлов и кладовых. Следует, однако, отметить, что естественная вентиляция по сравнению с механическими приточновытяжными системами менее энергозатратна. И в настоящее время ведутся исследования, направленные на создание безопасных и стабильных систем естественной вентиляции в высотных зданиях с использованием [2]:

– двойного вентилируемого фасада со встроенным вертикальным вентиляционным каналом;

– двойного вентилируемого фасада со щелевыми отверстиями в верхней и нижней зонах наружного слоя фасада;

– двухслойного остекления и наклонной фрамуги в верхней зоне окна;

– выдвижной створки окна.

двойной вентилируемый фасад с вертикальным вентиляционным каналом (рис. 2) уже достаточно широко используется. Он представляет собой систему, состоящую из внутреннего фасада, на котором размещены окна с наклонноповоротными створками и двухслойными стеклопакетами, и наружного фасада, выполненного в виде сплошного одинарного остекления. В пространстве между фасадами располагаются вертикальные вентиляционные каналы.

Внешний фасад обеспечивает защиту от ветрового воздействия при проветривании, которое осуществляется поворотом или наклоном створок. Недостаток этой конструкции – сложность очистки. Вместе с тем результаты исследований данной системы показывают, что она не обеспечивает в достаточной степени вентиляцию большинства помещений и для высотных зданий не может быть рекомендована.

Двойной вентилируемый фасад со щелевыми отверстиями в верхней и нижней зонах наружного слоя фасада отличается от первого варианта отсутствием вертикального канала и наличием щелевидных отверстий различных размеров (рис. 3).

Воздушная прослойка между двумя фасадами создает дополнительную теплоизоляцию в холодное время года. При проветривании, когда открывается поворотно­откидная створка, воздух сначала поступает в пространство между фасадами, и его скорость при этом уменьшается.

В варианте с использованием для проветривания наклонной фрамуги в верхней зоне окна не предусмотрено никаких устройств, уменьшающих скорость воздушных потоков (рис. 4).

Последние два варианта системы естественной вентиляции исследовались в аэродинамической трубе на моделях из органического стекла в масштабе 1:20. Для визуализации потоков воздуха в помещении применялся дым, а кратность воздухообмена измерялась с использованием газаиндикатора.

Результаты экспериментов показали следующее:

– окно с двухслойным остеклением и фрамугой обеспечивает большие кратности воздухообмена, чем двухслойный вентилируемый фасад;

– оба рассматриваемых варианта могут использоваться в системах естественной вентиляции;

– эффективность вентилирования зависит от скорости и направления ветра.

Система естественной вентиляции с выдвижным стеклопакетом (рис. 5) применяется совместно с механической, поскольку во время ливней и скорости ветра выше 20 м/с окна не должны открываться.

При такой системе для организации естественной вентиляции стеклопакет выдвигается вперед параллельно фасаду в зависимости от условий наружного климата на регулируемое в пределах от 1 до 200 мм расстояние с образованием щели по периметру. Размер щели обеспечивает ограничение скорости воздуха, поступающего в помещение, до 0,35 м/с.

Многие вопросы, связанные с распределением потоков воздуха, даже в многоэтажных зданиях еще не решены. Что же касается высотных зданий, то в каждом конкретном случае должны быть проведены предварительные аэродинамические исследования, чтобы избежать возможных ошибок.

1. Шилкин Н.В. Возможность естественной вентиляции для высотных зданий. АВОК. 2005. № 1.

2. Gertis K. Стеклянные двойные фасады. Имеют ли смысл, с точки зрения строительной физики, новые разработки фасадов? АВОК. 2003. № 7, 8; 2004. № 1.

Система отопления многоэтажных зданий

К.т.н. Б.П. Новосельцев, доцент кафедры «Отопление и вентиляция», Воронежский государственный архитектурно-строительный университет; В.Ф. Ходырев, инженер, ЗАО «Воронежское монтажное управление — 2»;Е.Б. Шафеева, инженер, ОАО «Воронежоблгаз», г. Воронеж (Доклад на международной научно-технической конференции «Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции», ноябрь 2005 г.)

В настоящее время отопление подавляющего большинства существующих жилых многоэтажных зданий в нашей стране осуществляется в основном вертикальными однотрубными системами водяного отопления. Достоинства и недостатки таких систем отмечены в [1] и других источниках. Среди основных недостатков следует отметить следующие:

□ невозможно проводить учет расхода теплоты на отопление каждой квартиры;

□ невозможно осуществлять оплату расхода теплоты за фактически потребленную тепловую энергию (ТЭ);

□ очень сложно поддержать требуемую температуру воздуха в каждой квартире.

Поэтому можно сделать вывод о том, что необходимо отказаться от использования вертикальных систем для отопления жилых многоэтажных зданий и применять поквартирные системы отопления (СО), как это рекомендует [2]. При этом в каждой квартире необходимо устанавливать счетчик ТЭ.

Поквартирные СО в многоэтажных зданиях — это такие системы, которые могут обслуживаться жителями квартиры без изменения гидравлического и теплового режимов соседних квартир и обеспечивать поквартирный учет расхода теплоты. При этом повышается тепловой комфорт в жилых помещениях и экономия теплоты на отопление. На первый взгляд это две противоречивые задачи. Однако никакого противоречия здесь нет, т.к. устраняется перегрев помещений за счет отсутствия гидравлической и тепловой разрегулировки СО. Кроме того, на 100% используется теплота солнечной радиации и бытовые теплопоступления в каждую квартиру. Актуальность решения этой проблемы осознают строители и службы эксплуатации. Существующие системы поквартирного отопления [3] в нашей стране для отопления многоэтажных зданий применяются редко по разным причинам и, в том числе, из-за их невысокой гидравлической и тепловой устойчивости. Система поквартирного отопления, защищенная действующим патентом РФ № 2148755 F24D 3/02, по мнению авторов, отвечает всем требованиям [2]. На рис. 1 представлена схема СО для жилых зданий, имеющих небольшое количество этажей.

СО содержит подающий 1 и обратный 2 теплопроводы сетевой воды, сообщенные с индивидуальным тепловым пунктом 3 и соединенным, в свою очередь, с подающим теплопроводом 4 СО. К подающему теплопроводу 4 присоединен вертикальный подающий стояк 5, соединенный с поэтажной горизонтальной веткой 6. К ветке 6 присоединены отопительные приборы 7. В тех же квартирах, где установлен вертикальный подающий стояк 5, установлен обратный стояк 8, который присоединен к обратному теплопроводу СО 9 и горизонтальной поэтажной ветке 6. Вертикальные стояки 5 и 8 ограничивают длину поэтажных веток 6 одной квартирой. На каждой поэтажной ветке 6 установлен квартирный тепловой пункт 10, который служит для обеспечения подачи требуемого расхода теплоносителя и учета расхода теплоты на отопление каждой квартиры и регулирования температуры воздуха внутри помещения в зависимости от температуры наружного воздуха, поступления теплоты от солнечной радиации, тепловыделений в каждой квартире, скорости и направления ветра. Для отключения каждой горизонтальной ветки предусмотрены вентили 11 и 12. Воздушные краны 13 служат для удаления воздуха из отопительных приборов и веток 6. У отопительных приборов 7 могут устанавливаться краны 14 для регулирования расхода воды, проходящей через отопительные приборы 7.

Рис. 1. Схема системы отопления зданий, имеющих небольшое количество этажей: 1 — подающий теплопровод сетевой воды; 2 — обратный теплопровод сетевой воды; 3 — индивидуальный тепловой

пункт; 4 — подающий теплопровод системы отопления; 5 — вертикальный подающий стояк; 6 — поэтажная горизонтальная ветка; 7 — отопительные приборы; 8 — обратный стояк; 9 — обратный теплопровод системы отопления;

10 — квартирный тепловой пункт; 11, 12 — вентили; 13 — воздушные краны; 14 — краны, для регулирования расхода воды.

В случае выполнения СО многоэтажного здания (рис. 2) подающий вертикальный стояк 5 выполнен в виде группы стояков — 5, 15 и 16, а вертикальный обратный стояк 8 выполнен в виде группы стояков 8, 17 и 18. В этой СО подающий стояк 5 и обратный стояк 8, сообщенные соответственно с теплопроводами 4 и 9, объединяют в блок «А» горизонтальные поэтажные ветки 6 нескольких (в данном конкретном случае трех веток) верхних этажей здания. Подающий стояк 15 и обратный стояк 17 также соединены с теплопроводами 4 и 9 и объединяют в блок «В» горизонтальные поэтажные ветки следующих трех этажей. Вертикальные подающий стояк 16 и обратный стояк 18 объединяют поэтажные ветки 6 трех нижних этажей в блок «С» (количество веток в блоках А, В и С может быть больше или меньше трех). На каждой горизонтальной поэтажной ветке 6, расположенной в одной квартире, установлен квартирный тепловой пункт 10. Он включает, в зависимости от параметров теплоносителя и местных условий, запорно-регулирующую и контрольно-измерительную арматуру, регулятор давления (расхода) и устройство для учета расхода теплоты (теплосчетчик). Для отключения горизонтальных веток предусмотрены вентили 11 и 12. Краны 14 служат для регулирования теплоотдачи отопительного прибора (в случае необходимости). Воздух удаляется через краны 13.

Количество горизонтальных веток в каждом блоке определяется расчетом и может быть больше или меньше трех. Следует отметить, что вертикальные подающие стояки 5, 15, 16 и обратные 8, 17, 18 проложены в одной квартире, т.е. так же, как и на рис. 1, а это обеспечивает высокую гидравлическую и тепловую устойчивость СО многоэтажного здания и, следовательно, эффективную работу СО.

Изменяя количество блоков, на которые по высоте делится СО, можно практически полностью исключить влияние естественного давления на гидравлическую и тепловую устойчивость системы водяного отопления многоэтажного здания.

Другими словами, можно сказать, что при количестве блоков, равном числу этажей в здании, получим систему водяного отопления, в которой естественное давление, возникающее от остывания воды в отопительных приборах, присоединенных к поэтажным веткам, не будет влиять на гидравлическую и тепловую устойчивость СО.

Рассмотренная СО обеспечивает высокие санитарно-гигиенические показатели в отапливаемых помещениях, экономию теплоты на отопление, эффективное регулирование температуры воздуха в помещении. Осуществить пуск СО в действии можно по желанию жителя (при наличии теплоносителя) в тепловом пункте 3 в любое время, не дожидаясь пуска СО в других квартирах или во всем доме. Учитывая, что тепловая мощность и длина горизонтальных веток приблизительно одинакова, то при изготовлении трубной заготовки достигается максимальная унификация узлов СО, а это снижает расходы на изготовление и монтаж СО. Разработанная система поквартирного отопления для многоэтажных жилых зданий универсальна, т.е. такую СО можно использовать при теплоснабжении:

□ от центрального источника теплоты (от тепловых сетей);

□ от автономного источника теплоты (в том числе крышной котельной).

Рис. 2. Схема системы отопления многоэтажных зданий. 1 — подающий теплопровод сетевой воды; 2 — обратный теплопровод сетевой воды; 3 — индивидуальный тепловой пункт; 4 — подающий теплопровод системы отопления; 5, 15, 16 — вертикальные подающие стояки; 6 — поэтажная горизонтальная ветка; 7 — отопительные приборы; 8, 17, 18 — обратные стояки; 9 — обратный теплопровод системы отопления; 10 — квартирный тепловой пункт; 11, 12 — вентили; 13 — воздушные краны; 14 — краны, для регулирования расхода воды.

Такая система обладает гидравлической и тепловой устойчивостью, может быть однотрубной и двухтрубной и в ней могут быть использованы отопительные приборы любого типа, удовлетворяющие требованиям [2]. Схема подачи теплоносителя в отопительный прибор может быть различна [1], при установке крана у отопительного прибора можно регулировать тепловую мощность отопительного прибора. Такая СО может применяться не только для отопления жилых зданий, но и общественных и производственных зданий. В этом случае горизонтальная ветка прокладывается у пола (или в углублении пола) вдоль плинтуса. Такую СО возможно ремонтировать и реконструировать, если возникла необходимость в перепланировке здания. Для устройства описанной выше системы требуется меньший расход металла. Монтаж таких СО можно осуществлять из стальных, медных, латунных и полимерных труб, разрешенных к применению в строительстве [2]. Теплоотдача теплопроводов должна учитываться при расчете отопительных приборов. Применение поквартирных СО обеспечивает снижение расхода теплоты на 10-20% [3].

Идея использовать поквартирные системы для отопления многоэтажных жилых зданий зародилась давно. Однако такие системы отопления не применялись даже во вновь строящихся жилых домах по многим причинам, и в том числе — из-за отсутствия нормативной базы и рекомендаций по проектированию. За последние 5 лет создана нормативная база и разработаны рекомендации по проектированию таких систем. В России пока отсутствует опыт эксплуатации поквартирных СО, подключенных к различным источникам теплоты.

При проектировании таких систем возникает много вопросов по поводу размещения горизонтальных веток и мест прокладки вертикальных подающих и обратных стоков. Расход трубопроводов для устройства горизонтальных веток будет минимальным, если квартира в плане будет иметь форму квадрата или приближаться к квадрату.

Следует отметить, что подающие и обратные вертикальные стояки могут прокладываться в специальных шахтах, расположенных в лестничных клетках или общих коридорах. В шахтах на каждом этаже должны располагаться монтажные шкафы, в которых размещают квартирные узлы ввода.

Для массового жилищного строительства по- квартирные СО целесообразно выполнять однотрубными горизонтальными с замыкающими участками и последовательным подсоединением отопительных приборов. В этом случае значительно уменьшается расход труб, но при этом поверхность нагрева отопительных приборов увеличивается (за счет сокращения теплового напора) в среднем на 10-30%.

Горизонтальные ветки следует прокладывать у наружных стен, над полом либо в конструкции пола или в специальных плинтусах — коробах в зависимости от высоты отопительного прибора, его вида и расстояния от пола до подоконной доски (расстояние от пола до подоконной доски при новом строительстве при необходимости может быть увеличено на 100-250 мм).

При длинных отопительных приборах, например конвекторах, можно будет применять проходные конвекторы и использовать разностороннее (диагональное) присоединение приборов к горизонтальной ветке, а это во многих случаях улучшает прогреваемость приборов и, следовательно, увеличивает их теплоотдачу. При открытой прокладке горизонтальных веток увеличивается их теплоотдача в помещение, а это в итоге приводит к уменьшению поверхности отопительных приборов и, следовательно, снижается расход металла на их изготовление.

Такая система удобна для монтажа и, как правило, для горизонтальных веток используются трубопроводы одного диаметра. Кроме того, при однотрубной СО можно использовать и более высокие параметры теплоносителя (до 105 О С). При использовании трехходовых кранов (или другом конструктивном решении) можно увеличить количество затекающей в прибор воды, а это уменьшает поверхность нагрева приборов. При таком конструктивном выполнении системы обеспечивается возможность ее ремонта, т.е. замена трубопроводов, запорно-регулирующей арматуры и отопительных приборов в каждой квартире без вскрытия конструкции пола и т.д.

Неоспоримым достоинством таких систем отопления является то, что для их устройства можно использовать материалы и изделия только Российского производства.

1. СканавиА.Н., МаховЛ.М. Отопление. УчебникдляВУЗов — М.: Издательство АСВ, 2002. 576 с.

2. СНиП. 41-01-2003. Отопление, вентиляция и кондиционирование / Госстрой России. — М.: ФГУП ЦПП, 2004.

3. Ливчак И.Ф. Квартирное отопление. — М.: Стройиздат, 1982.