Модульная вытяжная система вентиляции высотных жилых домов и промышленных зданий

Современное строительство жилых комплексов требует повышение этажности сооружений жилищного фонда и производственных объектов, что ведет к осложнению системы жизнеобеспечения. В случаях пожарной ситуации высотные дома остаются без аварийной защиты. В основном, выходят из строя электрокоммуникации и вентиляторы, которые могут работать в аварийном режиме не более 10-20 мин. При использовании естественной вентиляции в период летнего безветрия гидростатическое давление отсутствует, шахты и типовые дефлекторы не работают - высотные дома остаются без вентиляции. Подобные явления распространяются и на пожароопасные объекты категории А, Б и т.д., поэтому на данных объектах используется принудительная энергоемкая вентиляция, исключая дешевый ветровой напор.

Для решения этих проблем предлагается использование модернизированных эжекционных стато-динамических дефлекторов, в которых между дроссель-клапаном и коническим диффузором установлена вихревая воронка с гидродинамическим ускорителем сжатого воздуха. Ускоритель снабжен соплом Лаваля и смонтирован тангенциально к корпусу воронки под углом 20÷22° вверх. Сжатый воздух подается под давлением 0.2÷0.6 МПа и выходит из сопла ускорителя 6 со скоростью более 200 м/с. В результате в корпусе дефлектора формируется восходящий вихревой поток по модели «торнадо», который обеспечивает интенсивный подсос вытяжного вентиляционного воздуха.

В системах общеобменной вентиляции высотных зданий предлагаемые дефлекторы могут работать по принудительной схеме, т.е. включаться в сеть сжатого воздуха в период летнего безветрия и при аварийных условиях. Остальное время года дефлекторы могут работать по обычной расчетной схеме под воздействием ветрового напора. Аварийный режим вентиляции высотного дома может обеспечиваться длительное время в режиме принудительной работы модернизированных дефлекторов за счет запаса воздуха в ресиверах и трубах-ресиверах даже при выходе из строя электропитания, так как они способны работать при температуре более 600°С.

Полезная модель относится к области инженерного оборудования зданий и предназначена для обеспечения устойчивой вытяжной вентиляции независимо от температурных и климатических условий в течение всего года. Она может использоваться в жилых, общественных и промышленных объектах для аварийной и противодымной вытяжной вентиляции.

В качестве устройств для усиления тяги при выбросе воздуха из индивидуальных и коллективных каналов естественной вентиляции жилых и общественных зданий, из каналов вывода продуктов сгорания и стволов мусоропроводов применяют статические дефлекторы различной конструкции (Щекин Р.В. Справочник по теплоснабжению и вентиляции. Кн. 2. Вентиляция. - Киев: Будивельник, 1979. - стр.106÷117). Работа дефлектора основана на использовании энергии ветра. В результате обтекания ветровым потоком обечайки дефлектора внутри него создается разрежение (по закону Бернулли), под действием которого воздух из вентилируемых помещений удаляется в атмосферу. Статические дефлекторы обладают рядом недостатков:

1. Эффективно работают только при высокой скорости ветра - более 2 м/с.При меньшей скорости устройство не создает разности давлений (тяги), а наоборот, является дополнительным сопротивлением для системы естественной вытяжной вентиляции. При безветрии в теплый период года потери напора на дефлекторах превышают располагаемое давление, образуемое в вытяжных системах за счет разности температур наружного и внутреннего воздуха, что приводит к нарушению вентиляции помещений жилых и общественных зданий.

2. Из-за низкой производительности (даже при значительной скорости ветра) не могут использоваться в качестве устройств для аварийной вентиляции и дымоудаления в жилых и производственных зданиях.

В отличие от статических устройств для усиления тяги стато-динамические дефлекторы снабжены дополнительными механическими элементами и побудителями движения воздуха. Они позволяют сохранить принцип естественной вентиляции практически без изменений, а также использовать все преимущества механической вентиляции при малых капитальных и минимальных эксплуатационных затратах.

Известен стато-динамический дефлектор с ветровым и механическим побуждением для систем вытяжной вентиляции жилых, гражданских и промышленных зданий (Малахов М. А. Проект естественно-механической вентиляции жилого дома в Москве // АВОК. - 2003. - 3.). Конструктивно это устройство является комбинацией статического дефлектора с осевым вытяжным вентилятором. При выключенном электродвигателе дефлектор обладает техническими характеристиками статического дефлектора и создает разрежение, равное сумме гравитационного и ветрового давлений. При включенном электродвигателе он создает разрежение, равное сумме гравитационного давления и напора вентилятора. Электродвигатель вентилятора включается в работу только в случае необходимости - при штиле, не более 20% всего времени в году, и способен обеспечить необходимое разрежение в зоне аэродинамической тени, в системах вентиляции разноуровневых зданий, а также при аварийной вентиляции промышленных зданий.

Недостатком устройства является то, что в случаях пожарной ситуации в дефлекторе выходят из строя электрокоммуникации и вентилятор, которые находятся в зоне непосредственного контакта с высокотемпературными газами и могут работать на удаление дыма не более 10-20 мин. В результате высотные дома с подобными устройствами быстро остаются без противодымной защиты.

Недостаток известного устройства также в том, что наличие вентилятора в каждом дефлекторе удорожает строительство и обслуживание системы общеобменной вытяжной вентиляции здания.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является модульная эжекционная система вытяжной вентиляции, включающая в себя несколько стато-динамических дефлекторов с эжекторами на первичном воздухе (Olivia Noel. Natural ventilation activated by induction // Proceedings 21-st AIVC Annual Conference. Innovations in Ventilation Technology. - 26÷29 September. - 2000). Дефлекторы такой системы не имеют встроенного в корпус вентилятора, что позволяет использовать их в качестве устройств для удаления дыма и аварийного проветривания.

Для создания тяги в период безветрия (штиля) каждый дефлектор вытяжной системы снабжен эжектирующей насадкой, установленной по оси вентиляционного ствола в месте крепления дефлектора. Через насадку подается первичный воздух от высоконапорного вентилятора, расположенного отдельно от дефлектора. Вышедшая из сопла насадки струя воздуха устремляется по вертикальной оси дефлектора вверх со скоростью 30-50 м/с и увлекает (эжектирует) с собой вверх воздух из нижней части вентиляционного канала (вторичный воздух). В результате обмена энергии между быстрыми и медленными струйками воздуха скорость воздуха в канале ниже сопла увеличивается, скорость воздуха в струе падает, общий расход воздуха в вентиляционном канале увеличивается в несколько раз.

Эжекционная система вентиляции со стато-динамическими дефлекторами является модульной, т.е. с одним вентилятором система может обслуживать одновременно несколько вентиляционных стволов разного назначения. Она может обеспечивать нормативный воздухообмен жилых, общественных и производственных зданий в течение всего года при любых погодных условиях, более надежна и более проста, чем механическая система вентиляции.

Недостатком прототипа является низкий КПД использования мощности вентилятора (30%) из-за малого значения коэффициента эжекции (отношения расхода эжектируемого воздуха к расходу эжектирующего воздуха) в дефлекторах, который для подобного типа низконапорных устройств не превышает k_э=3 при нулевом термическом и ветровом давлении. Из-за низкой эффективности и малой производительности устройство не нашло широкого применения в системах аварийной вентиляции и дымоудаления в жилых и производственных зданиях.

Целью предлагаемой полезной модели является увеличение КПД системы вытяжной вентиляции с эжекционными стато-динамическими дефлекторами, что позволит расширить диапазон применения подобных систем в жилищном и промышленном строительстве, включая период летнего безветрия и аварийные условия.

Результат достигается тем, что в модульной вытяжной системе вентиляции, состоящей из эжекционных стато-динамических дефлекторов, эжекти-рующих насадок в стволах дефлекторов и системы подвода первичного воздуха к эжектирующим насадкам, эжектирующие насадки выполнены в виде гидродинамических ускорителей с соплом Лаваля и подключены через регулирующие клапаны к трубе стояка-ресивера сети сжатого воздуха, обеспечиваемого компрессором.

Результат достигается также тем, что каждый эжекционный стато-динамический дефлектор такой системы вентиляции содержит конический диффузор, цилиндрическую обечайку, зонт-колпак и дроссель-клапан, при этом между дроссель-клапаном и коническим диффузором установлена вихревая воронка с гидродинамическим ускорителем, через который в конический диффузор подается сжатый воздух от отдельно расположенного компрессора. Ускоритель смонтирован тангенциально к корпусу вихревой воронки под углом 20÷22° вверх.

При работе указанных дефлекторов модульной вытяжной системы венти-ляциив режиме эжекции сжатый воздух выходит из сопла гидродинамического ускорителя со скоростью более 200 м/с, при этом в воронке создается массоди-намический восходящий вихревой поток сжатого воздуха, энергетический потенциал которого создает дополнительную работу по увеличению тяги внутри дефлектора при коэффициенте эжекции k_э от 3 до 6. Значительное возрастание эффекта эжекции в этом случае объясняется первым законом термодинамики и массодинамическими особенностями вихря, развивающимся по модели «торнадо».

Полезная модель поясняется на чертежах (фиг.1, 2 и 3).

На фиг.1 изображен эжекционный стато-динамический дефлектор модульной вытяжной системы вентиляции, содержащий конический диффузор 1, цилиндрическую обечайку 2, зонт-колпак 3. В нижней части дефлектора установлен дроссель-клапан 4. Между дроссель-клапаном 4 и коническим диффузором 1 установлена вихревая воронка 5 с гидродинамическим ускорителем сжатого воздуха 6, выходное отверстие которого выполнено в форме сопла Лаваля. Ускоритель 6 смонтирован тангенциально к корпусу воронки 5 под углом 20÷22° вверх. Сжатый воздух подается под давлением 0.2÷0.6 МПа и, проходя по каналу сопла ускорителя 6, адиабатически ускоряется в нем до скоростей, близких к скорости звука (200÷270 м/с). В результате в корпусе дефлектора формируется восходящий вихревой поток по модели «торнадо», который обеспечивает подсос вентиляционного воздуха.

На фиг.2 и 3 приведены схемы использования полезной модели при общеобменной вытяжной вентиляции высотных жилых зданий и на пожарно-взрывоопасных объектах производственного профиля.

На фиг.2 приведена схема устройства модульной вытяжной системы вентиляции при модернизации типового цеха категории А и Б, помещения которого разделены на дымные зоны 7. Каждая дымная зона 7 оборудована эжекционными стато-динамическими дефлекторами, способными использовать ветровой напор и массодинамический потенциал вихревых потоков в аварийных и межсезонных условиях. Указанные дефлекторы подключены к сети сжатого воздуха от компрессора 8 с ресивером 9 через регулировочные клапаны 10.

На фиг.3. приведена схема устройства модульной вытяжной системы вентиляции при модернизации общеобменной естественной вытяжной вентиляции высотных жилых зданий с обособленной системой дымоудаления 11 с площадок лестничной клетки. Эжекционные стато-динамические дефлекторы 12 установлены на поэтажные сборные вытяжные шахты. Сжатый воздух от ком-прессора 8 подводится к дефлекторам 12 через автоматические регулирующие клапаны 10, установленные на подводках к трубе стояка-ресивера 13.

Вытяжная вентиляция, устроенная по схеме фиг.3, больший период года работает в режиме естественного побуждения (при наличии ветрового напора); в нестандартных условиях (при штиле) и пожарно-аварийной ситуации вся система переключается на массодинамический режим. Благодаря значительной емкости стояка-ресивера 13 такая система может работать длительное время при прекращении электроснабжения, что важно для обеспечения эвакуации людей из опасной зоны или верхних этажей зданий. Кроме того, модульная вытяжная система вентиляции может значительно дольше обеспечивать дымоудаление при температурах свыше 600°С, так как в корпусе эжекционных стато-динамических дефлекторов отсутствуют электрокоммуникации и вентиляторы.

Как видно из чертежей, предлагаемая модульная вытяжная система вентиляции с эжекционными стато-динамическими дефлекторами и одним компрессором может обслуживать одновременно несколько вентиляционных стволов разного назначения. Она легко устанавливается и на существующие здания, поскольку все ее основные элементы монтируются на оголовке вентиляционного канала, на кровле или чердаке.

В предлагаемых схемах не подавляется термический и ветровой эффекты систем вентиляции, т.к. эжекционная схема не изменяет гидравлическое сопротивление каналов системы естественной вентиляции. Автоматическое включение двигателя компрессора происходит по сигналу датчика перепада давления на выходе из вентиляционного канала (при штиле). Выключение двигателя осуществляется также по сигналу датчика перепада давления (при большом ветровом и температурном напоре) или с помощью реле времени (например, через 60 мин. работы - при аварийной вентиляции). В любом случае предусматривается возможность ручного управления дефлекторами вытяжной системы.

В обособленных пожарных отсеках или частях зданий устанавливаются дублирующие воздушные компрессоры. По данным оценочных расчетов установочная электрическая мощность каждого должна составлять 7 кВт на 1 м³/мин сжатого воздуха. Объем ресивера должен составлять не менее 30÷40% производительности компрессора. При выборе конструктивных характеристик стояка-ресивера 13, работающего на давлении до 0.6 МПа, особые требования не предъявляются, так как в этом случае они не отличаются от требований к трубопроводам других инженерных систем - отопления и водоснабжения. Кроме того, на верхнем участке стояк-ресивер 13 оборудован предохранительным клапаном, установленным на давление 0.6 МПа.

Таким образом, предлагаемая модульная вытяжная система вентиляции высотных и промышленных зданий с использованием эжекционных стато-динамических дефлекторов позволяет создавать простые и надежные схемы общеобменной вытяжной и аварийной вентиляции, максимально использующие в больший период года ветровую энергию, а также массодинамический потенциал вихревых потоков сжатого воздуха при безветрии и в аварийных ситуациях.

Предлагаемые схемы использования эжекционных стато-динамических дефлекторов очень просты и не требуют устройства дополнительных камер и новых сооружений. Единственная камера для компрессорного оборудования может служить пультом центрального управления всеми системами вентиляции и располагаться в обособленной зоне.

Простота схем общеобменной вытяжной и аварийной вентиляции с используемыми в предлагаемой модульной системе эжекционными дефлекторами позволяет распространить ее не только на вновь проектируемые здания, но также и на объекты, подлежащие реконструкции.

1. Модульная вытяжная система вентиляции высотных и промышленных зданий, состоящая из эжекционных стато-динамических дефлекторов, эжектирующих насадок в стволах дефлекторов и системы подвода первичного воздуха к эжектирующим насадкам, отличающаяся тем, что эжектирующие насадки выполнены в виде гидродинамических ускорителей с соплом Лаваля и подключены через регулирующие клапаны к трубе стояка-ресивера сети сжатого воздуха, обеспечиваемого компрессором.

2. Модульная вытяжная система вентиляции по п.1, отличающаяся тем, что каждый эжекционный стато-динамический дефлектор содержит конический диффузор, цилиндрическую обечайку, зонт-колпак и дроссель-клапан, при этом между дроссель-клапаном и коническим диффузором установлена вихревая воронка с гидродинамическим ускорителем подачи сжатого воздуха, расположенным тангенциально к корпусу вихревой воронки под углом 20÷22° вверх.