Проблемы взаимодействия архитектуры и инженерных систем отопления и вентиляции

Вентиляция — это периодическая или непрерывная смена воздуха в помещении, которая обычно является обязательным условием эксплуатации помещений любого назначения, будь оно жилое или нежилое.

Рис 1: Интерьер, показывающий верхнее освещение при двойной вентилируемой кровле (арх. Г.А. Соболев, В.А. Жадобин, И.И. Безрученко «СГА Проект») 

Проблема вентиляции жилых зданий в суровом российском климате сейчас обретает новую остроту. С одной стороны, здания становятся все более герметичными, что снижает теплопотери, с другой стороны, ухудшается микроклимат в здании, увеличиваются расходы на кондиционирование и принудительную вентиляцию.

В помещениях с искусственным микроклиматом увеличивается количество респираторных заболеваний, что также имеет экономические последствия.

Периодическая вентиляция — это, скорее, проветривание, она проблему не решает, и здесь ее мы рассматривать не будем. При непрерывной же вентиляции в зависимости от назначения помещения могут меняться как количественные, так и качественные характеристики процесса, например кратность обмена, температура приточного воздуха, его влажность, ионный состав, скорость движения воздуха в процессе обмена в разных зонах помещения.

Кроме того, при устройстве вентиляции приходится учитывать траекторию движения воздуха, а также путь потоков на входе и выходе из помещения и возможные контакты воздуха с окружающими предметами или пространствами при его перемещении и, соответственно, полезные или вредные взаимодействия с ними.

Примером может служить регулярное насыщение воздуха различными запахами, если в результате просчета воздух из кухни, из зоны приготовления пищи активно выносится в жилую часть квартиры или здания. Другим примером может быть устранение застоя, накопления влаги и стимулирования гнилостных процессов в пространстве между чистым и черным полом путем рационального вовлечения этого пространства в непрерывный процесс воздухообмена (простейшее решение этой проблемы — устранение такого пространства вообще — представляется неприемлемым).

Круг проблем и конкретные задачи, возникающие при проектировании вентиляции, а также пути их решения достаточно полно очерчиваются лишь при своевременном всестороннем обсуждении на стадии архитектурного проектирования, а затем при проектировании совокупного инженерного оснащения здания при обязательном учете специфики каждой зоны вентиляции. Кроме того, устройство всех инженерных систем законодательно подчиняется целому комплексу норм и правил, роль которых и количественные требования здесь не обсуждаются.

Достаточно лишь упомянуть обязательность встраивания в воздуховоды автоматических огнезадерживающих клапанов, которые должны полностью перекрывать в отсечном режиме воздушные потоки либо самостоятельно в одноразовом варианте при повышении температуры воздуха до критического значения, либо в многоразовом варианте с электроприводом и централизованным управлением. Следует заметить, что эти устройства, выполняемые с высокой индивидуальной огнестойкостью, являются дорогостоящими.

Рис 2: Щелевой оконный приточный клапан по СНиП 2.08.01-89

Известно, что в крайнем выражении различаются приточная и вытяжная системы вентиляции, когда конструктивно или принудительно обеспечивается лишь подача воздуха в первом случае или его отвод во втором, а необходимый встречный процесс — отвод или подведение замещающего воздуха — происходит самопроизвольно в результате возникновения перепада давлений (с тем или иным знаком) между помещением и окружающим пространством благодаря действию системы вентиляции.

Иногда использование одного из этих крайних вариантов бывает оправданным, например только вытяжка воздуха в санузлах, но на практике, как правило, используют комбинированную приточно-вытяжную систему, причем в этом случае нужно достаточно точно реализовать баланс воздушных потоков притока и вытяжки в зависимости от назначения помещений.

Рис 3: Вариант жилого дома с системой естественной вентиляции через кровлю (арх. Г.А. Соболев, В.А. Жадобин, И.И. Безрученко «СГА Проект»)

Рассчитывая производительность каждой из систем, следует обеспечить в зоне вентиляции либо небольшое разрежение (санузел или кухня), благодаря чему устраняется растекание воздуха из этой зоны в соседние участки, либо, наоборот, небольшое избыточное давление, чтобы исключить проникновение воздуха из смежного помещения (например, в тамбуре между жилыми помещениями коттеджа, а также примыкающего к зданию гаража).

Стимулировать движение воздуха в помещении и обеспечивать воздухообмен с наружным пространством можно двумя принципиально различными способами — во-первых, используя механические побудители, которые обеспечивают гарантированное активное перемещение расчетных количеств воздуха ценой больших или меньших затрат энергии, и, во-вторых, применяя естественное побуждение движения — конвекцию, основанную на целенаправленном использовании законов природы. Принудительная механическая вентиляция, как отмечено, обеспечивает надежное перемещение воздуха, ее работа практически не зависит от природных факторов, определяющих работу естественной обменной вентиляции, — таких как характер погоды в данный момент, то есть наличие ветра, солнца, дождя, тумана и т.п.

В этом — безусловное достоинство принудительной вентиляции. Еще одним достоинством является возможность обеспечить обмен воздуха в помещениях, где естественное движение воздуха невозможно, например, в подвальных помещениях. Эти достоинства, однако, отягощены большой сложностью технической реализации, необходимостью установки развитой системы воздуховодов, как правило, объединяющих целый ряд помещений в единую и внутренне взаимозависимую систему.

Технические средства обычно отнимают заметную долю пространства помещений, чаще всего со стороны потолка, и это снижает практическую ценность таких систем, завышение же расстояния между этажными перекрытиями, конечно, дает место для размещения вентиляционных устройств, но приводит к увеличению капитальных затрат. Кроме того, приточная часть системы, являясь общей для целого ряда помещений, должна обеспечивать подготовку воздуха при помощи относительно громоздкой установки, и для ее размещения зачастую требуется специальное помещение.

Для достаточно крупных зданий это, впрочем, бывает оправданно, тем более что в таких случаях обычно применяется и централизованная, агрегированная принудительная вытяжная система. В ряде случаев их связывают и в том же помещении устанавливают теплообменные устройства — рекуператоры тепла, которые в зимнее время дают существенную экономию энергии благодаря предварительному подогреву приточного уличного морозного воздуха за счет теплого удаляемого вытяжного воздуха. Эти устройства, однако, недешевы. Поэтому экономически выгодно учитывать все параметры здания — конструктивные, инженерные и эксплуатационные — и находить оптимальные комбинированные решения.

Рис 4: Макет эспериментального проекта дома со стабилизированной системой естественной вентиляции.
Рис 5: План экспериментального проекта дома
Рис 6: Фасад дома в осях А-Л

Система естественной вентиляции не имеет механических побудителей и подвержена влиянию сиюминутных условий, ее эффективность может колебаться в течение суток и тем более – сезона, однако это не означает, что она полностью уступает принудительному варианту. Безусловным достоинством является техническая простота, отсутствие существенных взаимных влияний отдельных подсистем при возможности изменять интенсивность обмена в любой зоне, где это предусмотрено конструктивно.

Система практически не подвержена износу и обычно не требует обслуживания. Создание и эксплуатация системы естественной вентиляции оказываются малозатратными. Однако проектирование и изготовление таких систем зачастую сопряжено с практическими затруднениями, важнейшими из которых являются конструирование и трассировка воздуховодов с наименьшими динамическими сопротивлениями и одновременно с наибольшими тяговыми свойствами.

Для приточной части тяговые свойства не играют особой роли, и последнее касается, главным образом, вытяжки. А так как ее роль обычно является доминирующей, то здесь оба эти условия принципиально важны. Так, наименьшее сопротивление движению оказывают прямолинейные, достаточно широкие воздуховоды, а увеличению тяги способствует забор воздуха из помещения в точках с повышенной температурой и применение вертикального, по возможности, длинного воздуховода с невысоким теплообменом с окружающей средой, желательно также применение устройств типа дефлектора, повышающих тягу на выходе в атмосферу.

Рис 7: Макет дома площадью 900м2 с основной системой принудительной вентиляции

Очень важным обстоятельством при конструировании системы естественной вентиляции является сильная зависимость ее эффективности от отопительной системы. Но именно это обстоятельство позволяет достичь стабильной работы вентиляции, так как отопительные приборы влияют на тягу. Учитывая в целом невысокий потенциал естественных движущих сил конвекции, представляется разумным в таких случаях отдавать приоритет инженерным решениям вентиляции.

Очевидна необходимость комплексного подхода. Эти естественные требования могут вступать в противоречия с эстетическими архитектурными решениями, и их взаимное согласование, по-видимому, потребует компромисса. Идеальна ситуация, когда архитектурные и инженерные решения составляют единое целое и их невозможно разделить на отдельные составляющие.

Рис 8: Конструктивный макет фрагмента дома площадью 900м2 с демонстрацией системы пространств для каналов вентиляции в полах

Системы естественной вентиляции, применявшиеся в России в жилых и общественных зданиях до середины ХХ века, оказались незаслуженно забыты. Практически все доходные дома Санкт-Петербурга и Москвы имели двухслойные деревянные перекрытия, внутреннее пространство которых использовалось для доступа наружного воздуха в помещения (рис. 13).

Холодный воздух с улицы попадал в междуэтажные перекрытия и через решетки в полу проходил к радиаторам отопления, подогревался и, после прохождения через помещение, попадал в вытяжные вентиляционные каналы в стене дома через решетку под потолком. Таким образом, решались три задачи:

1. Поступление свежего воздуха в помещение.
2. Сохранение баланса влажности между внутренним и наружным воздухом.
3. Проветривание деревянных конструкций перекрытий.

Фотографии вскрытых полов второго этажа Самуилова Корпуса. Музей-заповедник «Ростовский Кремль», ноябрь 2022. Над горизонтальными дымоходами от печи, идущим по сводам XVII века, вторым уровнем проложены воздушные каналы, нагретый воздух из которых поступал в помещения второго этажа здания. Точной датировки данной системы нет, но вероятнее всего каналы были сделаны в XVIII веке при надстройке палат XVII века.

Нарушение системы вентиляции в старых домах в итоге вело к разрушению конструкций деревянных перекрытий. Но подобная система вентиляции не была изобретением XIX века. Ее корни уходят гораздо глубже. Русская курная изба, топившаяся по-черному, была прекрасной лабораторией для моделирования воздушных потоков. Наблюдение за потоками дыма дало возможность интуитивно почувствовать принцип распределения воздушных масс в объеме.

В своей диссертации «Проблемы аэрации деревянных церквей» Владимир Борисович Бутурлинцев детально исследовал систему аэрации и вентиляции северных деревянных церквей. Система воздушных потоков в деревянных храмах оказалась точно продуманной, и длительность сохранности древесины напрямую зависела от пространственных решений организации потоков воздуха, ориентации храма на местности и преобладающих ветров. В своих исследованиях В.Б. Бутурлинцев использовал модели храмов из оргстекла, через которые прокачивалась жидкость, меняющая цвет в зависимости от скорости.

В итоге исследований стало понятно, что опытным путем строители деревянных храмов пришли к определению параметров углов наклона кровли шатра, обеспечивающих необходимую естественную тягу. Минимальная скорость потока воздуха для просыхания дерева в условиях Русского Севера составляет 6 м/с, а комфортная для человека — 0,5 м/с.

В деревянных храмах это противоречие решалось за счет выделения малого объема для людей внутри большого объема шатра храма. За счет инфильтрации воздуха через щели «неба» быстрый поток (6 м/с) вытягивает воздух из теплого малого объема для людей, обеспечивая необходимый воздухообмен при скорости потока в помещении не выше 0,5 м/с, то есть работает по принципу эжекторного реактивного двигателя. Причем, в отличие от обычной системы естественной вентиляции через вертикальный канал, подобная система в меньшей степени зависит от погодных условий и может использовать дополнительно эффект от конвекции воздуха при нагреве кровли солнцем и эффект Бернулли от горизонтальных потоков ветра, при котором купол выполняет роль дефлектора.

Устройство естественной вентиляции в последние годы значительно облегчилось благодаря разработке целого ряда новых устройств, обеспечивающих гибкость настройки как приточных, так и вытяжных систем. В первую очередь следует отметить регулируемые щелевые решетки, располагаемые в оконной раме чаще всего горизонтально в верхней ее части. Решетка имеет щелевой канал шириной порядка 15 мм, прикрываемый со стороны помещения поворотной заслонкой с эластичным уплотнением, обычно с ручным дистанционным приводом, что позволяет устанавливать желаемый расход приточного воздуха.

Снаружи щель прикрывается декоративной решеткой. Поток свежего наружного воздуха под действием восходящего конвективного потока от нагревательного прибора под окном отклоняется на потолок помещения, движется циркуляционно вдоль потолка и опускается достаточно равномерно в зону обитания в глубине помещения, имея температуру, практически равную средней комнатной температуре.

В некотором смысле такая решетка подобна традиционной форточке, однако, будучи эквивалентной ей по проходному сечению, она в отопительный сезон обеспечивает несколько больший расход воздуха и осуществляет это более эффективно благодаря сильно растянутой линии подачи, а не концентрированно, а также за счет эффекта эжекции — «затягивания» воздуха из щели при обтекании последней восходящим потоком. Кроме того, наличие регулирующего клапана, повернутого к потолку и имеющего мягкую, пористую накладку, значительно гасит уличные шумы в отличие от форточки. 

Другим примером относительно нового устройства может служить пассивный стабилизатор расхода воздуха, который встраивается, например, в приточный канал, выходящий заборной частью на наружную стену здания, и препятствует задуванию воздуха с улицы при набегающем ветре: пропускная способность устройства автоматически уменьшается за счет деформации внутренней эластичной упругой вставки. Устройство позволяет вручную выставить желаемый номинальный режим.

Для иллюстрирования изложенного приведем два проекта, разработанных фирмой «НПП Технолайн» (Москва) совместно и по заданию архитектурной мастерской «СГА Проект», и обсудим особенности каждого из них. В каждом проекте использованы оба принципа, реализованы в достаточной мере преимущества каждого из вариантов, причем на некоторых участках приточно-вытяжная вентиляция осуществляется комбинированным методом.

Проект с преимущественным использованием естественной вентиляции

При разработке нового проекта дома для Евгения Касперского мы постарались применить вполне традиционные способы организации естественной вентиляции.

Загородный коттедж располагается на двух этажах с типовым для такого рода зданий набором жилых и вспомогательных помещений, с бассейном, выделенными помещениями для котельной, прачечной и примыкающим к зданию гаражом.

На рисунке 10 показаны приблизительная схема расположения и конструкции воздуховодов в пространственном начертании. В принудительных приточных системах используется прямоточная схема, включающая очистку воздуха в фильтрах и при необходимости нагрев в водяном теплообменнике.

В котельной применена приточно-вытяжная система с принудительным нагнетанием при помощи канального вентилятора П1 и естественной вытяжкой ВЕ3 на крышу. В топочной части предусмотрен подпольный подающий канал ПЕ2 с заслонкой с ручным приводом и огнезадерживающим клапаном. Полностью аналогичная приточная система предусмотрена для обеспечения воздухом камина, установленного в середине рекреационной зоны (система ПЕ3). В гараже и примыкающей мастерской предусмотрена естественная вытяжка — ВЕ2 и ВЕ4. Канал ВЕ12 служит для отвода выхлопных газов автомобиля. Для притока воздуха предусмотрены переточные щелевые решетки, встраиваемые в оконные рамы.

Аналогичные щелевые решетки использованы как приточные элементы вентиляции в холле, гостиной, кухонно-столовой зоне, спальнях, а также в техническом помещении бассейна, вытяжка же обеспечивается естественным путем через системы ВЕ6—ВЕ10; гардеробные также имеют естественную вентиляцию — ВЕ5 и ВЕ11. В банном отделении также естественная приточно-вытяжная вентиляция — ПЕ1 и ВЕ1 с ручными клапанами для обеспечения возможности отрегулировать комфортный режим.

Вытяжные системы с механическим побуждением использованы в постирочной и санузлах (системы В1, В3, В5 – В7), в то время как приток обеспечивается за счет смежных помещений. Бассейн и примыкающая зона отдыха вентилируются механической системой П2/В2 при помощи напольных приточных и потолочных вытяжных решеток; вытяжка из технического помещения бассейна — принудительная (В9). Также принудительная система (В4) устанавливается в кухне и комнате отдыха (В8).

Практически все конструктивные элементы естественных вытяжных систем вписаны в архитектурно-конструктивные элементы здания с максимальным соблюдением требований устройства таких систем, о чем упоминалось выше. Эффективность вытяжки обеспечивается благодаря наличию достаточно длинных, высоко пролегающих воздуховодов с малым количеством изгибов, имеющих достаточно большой радиус кривизны.

Компромиссному техническому решению способствовало решение кровли с крутым подъемом и исполнение ее основы в виде объемной конструкции, внутри которой, как в широком плоском канале, удалось организовать направленный восходящий поток. Движение воздуха вверх побуждается наличием некоторого подпора в нижней части крыши, обусловленного хоть и небольшой, но все же разностью температур в упомянутом канале и под козырьком внизу, где по периметру цепочкой располагаются входные отверстия.

Движению воздуха способствует также модифицированный дефлектор наверху, объединяющий восходящие потоки со всех четырех сторон высокой крыши. Внутри канала почти вертикально располагаются вытяжные воздуховоды, заканчивающиеся эжекционными устройствами в виде фасонных щелей, ориентированных в направлении подъема. При фактических скоростях воздушных потоков эффект «подсасывания» невелик, но все-таки имеется.

Качественные представления о характере воздушных потоков были проверены на физической масштабной модели, разработанной архитектором Г.А. Соболевым по аналогии с конструкцией северного шатрового деревянного храма в пропорции 1:10 с соблюдением принципов критериального подобия. Для оценки скоростей использовано число Рейнольдса, позволяющее масштабировать гидро- и аэродинамические процессы с учетом размеров и физических параметров сред. В ходе экспериментов модель менялась для определения оптимальных геометрических параметров.

Визуализация потоков осуществлялась на прозрачной модели с использованием химического дыма, имеющего температуру, практически равную температуре воздуха в помещении. Это позволило исключить собственную тепловую конвекцию и пронаблюдать влияние вынужденной конвекции при наличии регулярных источников тепла, имитирующих приборы отопления.

Роль последних в выбранной концепции обсуждалась выше, на модели же удалось провести наблюдение за фактическим поведением объекта и в целом подтвердить справедливость умозрительных выкладок. В качестве источников тепла были применены электрические лампы мощностью 15 Вт, расположенные в местах размещения нагревательных приборов в помещении.

В процессе моделирования также сравнивались различные конструктивные варианты дефлектора при имитации ветра разной силы, а также влияние набегающего ветра на разные элементы здания — цоколь, карниз крыши — и общий обдув. При работе использовалась видеосъемка, а для регистрации температур и прямого замера скоростей применен термоанемометр с разрешающе способностью 1 см/с.

Использование высокой кровли для организации вентиляции оказывает большое влияние на архитектуру. В приводимых проектах форма кровли создает композиционное разнообразие объемных решений здания. Одновременно эта конструкция обеспечивает верхнее естественное освещение без обычных для него проблем теплопотерь через стекло и образования наледей. Стекло кровли и остекление потолка помещений находятся в разных контурах. Стекло кровли защищает от атмосферных осадков, а остекление потолка обеспечивает необходимую защиту от потерь тепла.

Каждое помещение или группа помещений перекрыты своим шатром. Собирающиеся между шатрами дождевая вода и снег могут использоваться для бытовых нужд дома, например, для смыва в системе канализации.

Проект с преимущественным использованием принудительной вентиляции

Загородный, относительно крупный 2-этажный коттедж, как и в предыдущем примере, имеет типовой набор помещений. Система вентиляции практически полностью реализована по принципу приточно-вытяжной принудительной вентиляции и в этом отношении не имеет каких-либо особенностей. Лишь в нескольких помещениях предусмотрены щелевые оконные решетки для непосредственной подачи уличного воздуха.

Здесь представляется интересным сопоставить окончательные решения данной системы и рассмотренной выше. Состав и схема устройства обуславливаются назначением ее элементов: вентиляция нескольких подвальных помещений, обеспечение воздушного режима бассейна, вентиляция и кондиционирование жилой части здания, приточно-вытяжная вентиляция курительной комнаты, вытяжка из кухонной зоны и санузлов, а также постирочной и гардеробных помещений.

В приточных установках предусмотрен подогрев и охлаждение воздуха, что обеспечивает большую гибкость настройки системы в целом. Для обслуживания всего здания предусмотрены три приточно-вытяжные установки с рекуператорами тепла, регуляторами расхода воздуха с системами автоматики и кондиционирования; для получения захоложенного теплоносителя служит чиллер в виде холодильной машины с выносным теплообменником, а для поддержания температуры в зонах кондиционирования предусмотрены специальные местные теплообменники со встроенными вентиляторами — фанкойлы.

С точки зрения вентиляции и теплотехники система имеет высокие эксплуатационные характеристики и достаточную гибкость, которая, однако, достигается ценой весьма высокой сложности системы, трудностью налаживания из-за сильного взаимного влияния отдельных ее участков, большим количеством сложного оборудования, более или менее равномерно распределенного по всему зданию, наличия густой сети воздуховодов и жидкостных трубопроводов, несущих, в частности, низкотемпературный хладоагент.

Кроме того, применение нескольких приточно-вытяжных установок с рекуперацией тепла потребовало наличия специальных помещений, а концентрирование вытяжного воздуха в нескольких воздуховодах заставляет устанавливать на крыше малоэстетичные трубы. На рисунке – приведен фрагмент проекта вентиляции, охватывающий лишь жилую часть здания, в которой располагается только одна приточно-вытяжная система. Дать детальный комментарий и даже просто пояснения здесь не представляется возможным.

Вторая часть, не приведенная здесь, не столь насыщена приборами вентиляции, хотя ее удельный вес никак не меньше. Другие особенности централизованных принудительных систем рассмотрены выше, среди них следует еще раз упомянуть целую систему огнезащитных клапанов на воздуховодах, которые принуждают принимать некоторые конструктивные схемы и приводят к необходимости внедрения электронной системы управления совокупным инженерным хозяйством здания.