Вентиляция помещений: принципы и виды.

Введение

Умышленное поступление наружного воздуха в помещение

Вентиляция – это преднамеренное поступление наружного воздуха в помещение. Вентиляция в основном используется для контроля качества воздуха в помещениях путем разбавления и удаления внутренних загрязнений; она также может использоваться для регулирования температуры, влажности и движения воздуха в помещении с целью обеспечения теплового комфорта, удовлетворенности другими аспектами внутренней среды или достижения иных целей. Умышленное поступление наружного воздуха обычно классифицируется как механическая вентиляция, естественная вентиляция или вентиляция смешанного типа (гибридная вентиляция). Механическая вентиляция – это преднамеренный поток наружного воздуха в здание и/или из него, создаваемый вентиляторами. Механические системы вентиляции могут включать в себя приточные вентиляторы (которые подают наружный воздух в здание) и вытяжные вентиляторы (или обеспечивать лишь небольшое понижение давления). Механическая вентиляция часто осуществляется оборудованием, которое также используется для отопления и охлаждения помещения. Естественная вентиляция – это преднамеренный пассивный поток наружного воздуха в здание через запланированные отверстия (такие как решетки, двери и окна). Для естественной вентиляции не требуются механические системы для перемещения наружного воздуха. Вместо этого она полностью полагается на пассивные физические явления, такие как давление ветра или эффект тяги. Отверстия для естественной вентиляции могут быть фиксированными или регулируемыми. Регулируемые отверстия могут управляться автоматически (автоматизированные), контролироваться пользователями (открываемые) или представлять собой их комбинацию. Перекрестная вентиляция – это явление, характерное для естественной вентиляции. Системы вентиляции смешанного типа используют как механические, так и естественные процессы. Механические и естественные компоненты могут использоваться одновременно, в разное время суток или в разные сезоны года. Поскольку поток естественной вентиляции зависит от условий окружающей среды, он не всегда может обеспечить необходимое количество вентиляции. В этом случае механические системы могут использоваться для дополнения или регулирования естественного потока. Вентиляция обычно рассматривается отдельно от инфильтрации. Инфильтрация – это неконтролируемый поток воздуха извне внутрь через щели (непреднамеренные отверстия) в ограждающих конструкциях здания. Если конструкция здания полагается на инфильтрацию для поддержания качества воздуха в помещении, этот поток называют нерегулируемой вентиляцией. Проектирование зданий, способствующих здоровью и благополучию людей, требует четкого понимания того, как воздушный поток вентиляции взаимодействует с загрязнителями, разбавляет их, удаляет или вносит в занимаемое пространство. Хотя вентиляция является неотъемлемой частью поддержания хорошего качества воздуха в помещении, она может быть недостаточной сама по себе. В ситуациях, когда загрязнение наружного воздуха ухудшает качество воздуха в помещении, могут потребоваться и другие устройства для очистки, такие как фильтры. В системах вентиляции кухни или для лабораторных вытяжных шкафов конструкция эффективного улавливания выбросов может быть более важной, чем общий объем вентиляции в помещении. В более общем плане, способ, которым система распределения воздуха обеспечивает вентиляцию, влияет на способность определенной скорости вентиляции удалять внутренние источники загрязнения. Способность системы снижать загрязнение в помещении описывается как ее «эффективность вентиляции». Однако общее влияние вентиляции на качество воздуха в помещении может зависеть от более сложных факторов, таких как источники загрязнения и способы взаимодействия деятельности и воздушного потока, влияющие на воздействие на людей. Ряд факторов, связанных с проектированием и эксплуатацией систем вентиляции, регулируется различными нормами и стандартами. Стандарты, касающиеся проектирования и эксплуатации систем вентиляции для обеспечения приемлемого качества воздуха в помещении, включают ASHRAE Standards 62.1 и 62.2, Международный жилищный кодекс, Международный механический кодекс и часть F Строительных норм и правил Великобритании. Другие стандарты, ориентированные на энергосбережение, также влияют на проектирование и эксплуатацию систем вентиляции, включая ASHRAE Standard 90.1 и Международный кодекс энергосбережения. Во многих случаях вентиляция для обеспечения качества воздуха в помещении одновременно способствует контролю теплового комфорта. Увеличение вентиляции необходимо для улучшения физического здоровья людей. В таких случаях может быть полезно увеличить скорость вентиляции сверх минимально необходимой для обеспечения качества воздуха в помещении. Два примера включают охлаждение с использованием наружного воздуха и предварительное охлаждение с помощью вентиляции. В других случаях вентиляция для обеспечения качества воздуха в помещении способствует необходимости – и энергопотреблению – механического оборудования для отопления и охлаждения. В жарком и влажном климате осушение вентиляционного воздуха может быть особенно энергоемким процессом. Вентиляцию следует рассматривать в связи с «вытяжной вентиляцией» для бытовых приборов и оборудования для сжигания топлива, такого как водонагреватели, печи, котлы и дровяные печи. Самое главное, при проектировании вентиляции зданий необходимо проявлять осторожность, чтобы избежать обратной тяги продуктов сгорания от приборов с «естественной вытяжной вентиляцией» в занимаемое пространство. Эта проблема особенно важна для зданий с более герметичными ограждающими конструкциями. Чтобы избежать этой опасности, многие современные приборы, работающие на сгорании, используют «прямую вытяжную вентиляцию», которая забирает воздух для сгорания непосредственно с улицы, а не изнутри помещения.

Ventilation is the intentional introduction of outdoor air into a space. Ventilation is mainly used to control indoor air quality by diluting and displacing indoor pollutants; it can also be used to control indoor temperature, humidity, and air motion to benefit thermal comfort, satisfaction with other aspects of the indoor environment, or other objectives. The intentional introduction of outdoor air is usually categorized as either mechanical ventilation, natural ventilation, or mixed mode ventilation (hybrid ventilation). Mechanical ventilation is the intentional fan driven flow of outdoor air into and/or out from a building. Mechanical ventilation systems may include supply fans (which push outdoor air into a building), exhaust or only slightly depressurizes it). Mechanical ventilation is often provided by equipment that is also used to heat and cool a space. Natural ventilation is the intentional passive flow of outdoor air into a building through planned openings (such as louvers, doors, and windows). Natural ventilation does not require mechanical systems to move outdoor air. Instead, it relies entirely on passive physical phenomena, such as wind pressure, or the stack effect. Natural ventilation openings may be fixed, or adjustable. Adjustable openings may be controlled automatically (automated), owned by occupants (operable), or a combination of both. Cross ventilation is a phenomenon of natural ventilation. Mixed mode ventilation systems use both mechanical and natural processes. The mechanical and natural components may be used at the same time, at different times of day, or in different seasons of the year. Since natural ventilation flow depends on environmental conditions, it may not always provide an appropriate amount of ventilation. In this case, mechanical systems may be used to supplement or regulate the naturally driven flow. Ventilation is typically described as separate from infiltration. Infiltration is the circumstantial flow of air from outdoors to indoors through leaks (unplanned openings) in a building envelope. When a building design relies on infiltration to maintain indoor air quality, this flow has been referred to as adventitious ventilation. The design of buildings that promote occupant health and well being requires a clear understanding of the ways that ventilation airflow interacts with, dilutes, displaces, or introduces pollutants within the occupied space. Although ventilation is an integral component of maintaining good indoor air quality, it may not be satisfactory alone. In scenarios where outdoor pollution would deteriorate indoor air quality, other treatment devices such as filtration may also be necessary. In kitchen ventilation systems, or for laboratory fume hoods, the design of effective effluent capture can be more important than the bulk amount of ventilation in a space. More generally, the way that an air distribution system causes ventilation to flow into and out of a space impacts the ability of a particular ventilation rate to remove internally generated pollutants. The ability of a system to reduce pollution in space is described as its "ventilation effectiveness". However, the overall impacts of ventilation on indoor air quality can depend on more complex factors such as the sources of pollution, and the ways that activities and airflow interact to affect occupant exposure. An array of factors related to the design and operation of ventilation systems are regulated by various codes and standards. Standards dealing with the design and operation of ventilation systems to achieve acceptable indoor air quality include ASHRAE Standards 62.1 and 62.2, the International Residential Code, the International Mechanical Code, and the United Kingdom Building Regulations Part F. Other standards that focus on energy conservation also impact the design and operation of ventilation systems, including ASHRAE Standard 90.1, and the International Energy Conservation Code. In many instances, ventilation for indoor air quality is simultaneously beneficial for the control of thermal comfort. Increasing ventilation is essential to enhance the physical health of people. At these times, it can be useful to increase the rate of ventilation beyond the minimum required for indoor air quality. Two examples include air side economizer cooling and ventilative pre cooling. In other instances, ventilation for indoor air quality contributes to the need for – and energy use by – mechanical heating and cooling equipment. In hot and humid climates, dehumidification of ventilation air can be a particularly energy intensive process. Ventilation should be considered for its relationship to "venting" for appliances and combustion equipment such as water heaters, furnaces, boilers, and wood stoves. Most importantly, building ventilation design must be careful to avoid the backdraft of combustion products from "naturally vented" appliances into the occupied space. This issue is of greater importance for buildings with more air tight envelopes. To avoid the hazard, many modern combustion appliances utilize "direct venting" which draws combustion air directly from outdoors, instead of from the indoor environment.

Нормы вентиляции для качества воздуха в помещениях

Скорость вентиляции для коммерческих, промышленных и общественных зданий (CII) обычно выражается объемным расходом наружного воздуха, подаваемого в здание. Типичными единицами измерения являются кубические футы в минуту (CFM) в имперской системе или литры в секунду (л/с) в метрической системе (хотя кубический метр в секунду является предпочтительной единицей для измерения объемного расхода в системе СИ). Скорость вентиляции также может быть выражена в расчете на одного человека или на единицу площади, например, CFM/чел. или CFM/фт², либо в виде числа воздухообменов в час (ACH).

Стандарты для жилых зданий

Для жилых зданий, которые в основном полагаются на инфильтрацию для обеспечения вентиляции, распространенным показателем вентиляции является кратность воздухообмена (или число воздухообменов в час) – часовой объем вентиляции, деленный на объем помещения (I или ACH; единицы измерения 1/ч). Зимой значение ACH может варьироваться от 0,50 до 0,41 в герметичном доме до 1,11–1,47 в доме с плохой герметизацией. ASHRAE в настоящее время рекомендует нормы вентиляции, зависящие от площади пола, в качестве пересмотра стандарта 62.2001, в котором минимальная кратность воздухообмена составляла 0,35, но не менее 15 CFM на человека (7,1 л/с на человека). Начиная с 2003 года, стандарт был изменен на 3 CFM на 100 кв. футов (15 л/с на 100 кв. м) плюс 7,5 CFM на человека (3,5 л/с на человека).

Воздушно-транспортные заболевания

Природная вентиляция является ключевым фактором в снижении распространения заболеваний, передающихся воздушно-капельным путем, таких как туберкулез, простуда, грипп, менингит или COVID-19. Открытие дверей и окон – эффективный способ максимизировать естественную вентиляцию, что значительно снижает риск воздушно-капельной инфекции по сравнению с дорогостоящими и требующими обслуживания механическими системами. Клинические помещения старого образца с высокими потолками и большими окнами обеспечивают наилучшую защиту. Естественная вентиляция обходится недорого и не требует обслуживания, особенно подходя для регионов с ограниченными ресурсами и тропическим климатом, где бремя туберкулеза и внутрибольничной передачи туберкулеза наиболее высоко. В условиях, когда изоляция пациентов с респираторными заболеваниями затруднена и климат позволяет, следует открывать окна и двери для снижения риска воздушно-капельной инфекции. Естественная вентиляция требует минимального обслуживания и является экономичной. Однако, в значительной части инфраструктуры естественная вентиляция непрактична из-за климатических условий. Это означает, что объекты должны быть оснащены эффективными механическими системами вентиляции и/или использовать системы вентиляции с ультрафиолетовым излучением на уровне потолка (Ceiling Level UV) или дальнего ультрафиолета (FAR UV). Вентиляция измеряется в количестве смен воздуха в час (ACH). По данным на 2023 год, CDC рекомендует поддерживать не менее 5 ACH во всех помещениях. Для больничных палат с воздушно-капельными инфекциями CDC рекомендует минимум 12 ACH. Проблемы в обеспечении вентиляции объектов связаны с недостаточной осведомленностью населения, неэффективным государственным контролем, несовершенством строительных норм и правил, основанных на комфорте, неэффективной эксплуатацией систем, плохим обслуживанием и отсутствием прозрачности. Широко распространено заблуждение, что вентиляция помещений находится в порядке, но это не соответствует действительности. Ситуация аналогична загрязнению воды: если не проводить оценку, вероятно наличие проблемы. Фактически, показатели вентиляции, отопления и кондиционирования воздуха снижаются с энергетического кризиса 1970-х годов и запрета на курение в 1980-х и 1990-х годах. Сегодня эти показатели продолжают снижаться в связи с необходимостью сокращения углеродного следа. Существует компромисс между снижением углеродного следа и увеличением риска респираторных инфекций из-за недостаточной вентиляции для эффективной борьбы с воздушно-капельными инфекциями. Исследования в этой области являются относительно новыми, начиная с 2023 года.

Natural ventilation is a key factor in reducing the spread of airborne illnesses such as tuberculosis, the common cold, influenza, meningitis or COVID 19. Opening doors and windows are good ways to maximize natural ventilation, which would make the risk of airborne contagion much lower than with costly and maintenance requiring mechanical systems. Old fashioned clinical areas with high ceilings and large windows provide the greatest protection. Natural ventilation costs little and is maintenance free, and is particularly suited to limited resource settings and tropical climates, where the burden of TB and institutional TB transmission is highest. In settings where respiratory isolation is difficult and climate permits, windows and doors should be opened to reduce the risk of airborne contagion. Natural ventilation requires little maintenance and is inexpensive. Natural ventilation is not practical in much of the infrastructure because of climate. This means that the facilities need to have effective mechanical ventilation systems and or use Ceiling Level UV or FAR UV ventilation systems. Ventilation is measured in terms of Air Changes Per Hour (ACH). As of 2023, the CDC recommends that all spaces have a minimum of 5 ACH. For hospital rooms with airborne contagions the CDC recommends a minimum of 12 ACH. The challenges in facility ventilation are public unawareness, ineffective government oversight, poor building codes that are based on comfort levels, poor system operations, poor maintenance, and lack of transparency. Everyone assumes that everything is okay in terms of facility ventilation but that is not the case. The situation is similar to water pollution where unless someone actually assesses the situation, it is likely that there is a problem. The reality is that Heating, ventilation, and air conditioning rates have been dropping since the energy crisis in the 1970s and the banning of cigarette smoke in the 1980s and 1990s Today the ventilation rates are dropping even further with the new challenge to reduce carbon footprints. The tradeoffs are reduced carbon footprint versus increased risk of respiratory infection because of insufficient ventilation to reasonably mitigate airborne infections. The research in this area is new as of 2023.

Вентиляция с регулируемым потреблением (DCV)

Контролируемая вентиляция (DCV, также известная как вентиляция по требованию) позволяет поддерживать качество воздуха с одновременной экономией энергии. ASHRAE установила, что: "В соответствии с методикой расчета воздухообмена допустимо использовать регулирование по требованию для снижения общего притока наружного воздуха в периоды низкой заполняемости помещений". В системе DCV датчики CO2 управляют объемом вентиляции. При максимальной заполняемости помещений уровень CO2 повышается, и система регулируется для подачи такого же количества наружного воздуха, как и при расчете воздухообмена. Однако, когда помещения заполнены меньше, уровень CO2 снижается, и система уменьшает вентиляцию для экономии энергии. DCV – это широко распространенная практика, и она требуется для помещений с высокой плотностью людей в соответствии со стандартами энергоэффективности зданий, такими как ASHRAE 90.1.

Персонализированная вентиляция

Персонализированная вентиляция – это стратегия распределения воздуха, позволяющая каждому человеку контролировать объем поступающей вентиляции. Этот подход обеспечивает более прямую подачу свежего воздуха в зону дыхания и направлен на улучшение качества вдыхаемого воздуха. Персонализированная вентиляция обеспечивает значительно более высокую эффективность вентиляции по сравнению с традиционными системами смешанной вентиляции, удаляя загрязнения из зоны дыхания с использованием гораздо меньшего объема воздуха. Помимо улучшения качества воздуха, эта стратегия также может повысить тепловой комфорт находящихся в помещении людей, их субъективное восприятие качества воздуха и общую удовлетворенность условиями внутри помещения. Индивидуальные предпочтения в отношении температуры и движения воздуха различаются, поэтому традиционные методы поддержания однородной среды не позволяют достичь высокой удовлетворенности людей. Методы, такие как персонализированная вентиляция, обеспечивают возможность управления более разнообразной тепловой средой, что может повысить тепловой комфорт для большинства находящихся в помещении людей.

Вентиляция и сжигание

Сжигание (в камине, газовом обогревателе, свече, масляной лампе и т.д.) потребляет кислород, выделяя углекислый газ и другие вредные для здоровья газы и дым, что требует притока свежего воздуха для вентиляции. Открытый дымоход способствует инфильтрации (то есть естественной вентиляции) из-за разряжения, создаваемого восходящими потоками теплого воздуха, покидающего дымоход. Теплый воздух обычно заменяется более тяжелым холодным воздухом. Вентиляция в помещении также необходима для удаления водяного пара, образующегося при дыхании, горении и приготовлении пищи, а также для устранения запахов. Если водяной пар накапливается, он может повредить конструкцию, теплоизоляцию или отделочные материалы. Во время работы кондиционер обычно удаляет избыточную влагу из воздуха. Для удаления влаги из воздуха также может использоваться осушитель.

История

Примитивные системы вентиляции были обнаружены на археологическом памятнике Плочник (принадлежащем культуре Винча) в Сербии и встроены в ранние печи для выплавки меди. Печь, расположенная снаружи мастерской, имела глиняные трубы, напоминающие вентиляционные отверстия, с сотнями крошечных отверстий и прототип дымохода, обеспечивавшие приток воздуха для поддержания огня и безопасный отвод дыма. Пассивная вентиляция и пассивные системы охлаждения широко описывались в классические времена в районе Средиземноморья. Для обеспечения циркуляции воздуха использовались как источники тепла, так и источники охлаждения (например, фонтаны и подземные тепловые резервуары), а конструкция зданий предусматривала создание или исключение сквозняков в зависимости от климата и назначения. Общественные бани часто отличались особенно сложными системами отопления и охлаждения. Ледохранилища существуют уже несколько тысячелетий и к классической эпохе были частью хорошо развитой ледовой промышленности. Развитие принудительной вентиляции было стимулировано распространенной в конце XVIII и начале XIX века миазматической теорией болезней, согласно которой считалось, что застойный воздух распространяет недуги. Одним из ранних методов вентиляции было использование вентиляционного очага рядом с вентиляционным отверстием, который принудительно вызывал циркуляцию воздуха в здании. Английский инженер Джон Теофилус Дезагульерс привел ранний пример этого, установив вентиляционные очаги в воздуховоды на крыше Палаты общин. Начиная с театра Ковент-Гарден, газовые люстры на потолке часто специально проектировались для выполнения функции вентиляции.

Механические системы

В середине XIX века была разработана более сложная система, включающая использование механического оборудования для циркуляции воздуха. Базовая система меха, или фурм, была установлена для вентиляции тюрьмы Ньюгейт и прилегающих зданий инженером Стивеном Хейлсом в середине 1700-х годов. Проблема этих ранних устройств заключалась в том, что для их работы требовался постоянный ручной труд. Дэвид Босуэлл Рид был вызван для дачи показаний перед парламентским комитетом по предлагаемым архитектурным проектам нового здания Палаты общин после пожара, уничтожившего старое здание в 1834 году. В январе 1840 года Рид был назначен комитетом Палаты лордов, занимавшимся строительством нового здания Парламента. Фактически, его должность была инженером по вентиляции, и с его назначением началась продолжительная череда споров между Ридом и архитектором Чарльзом Барри. Рид выступал за установку передовой системы вентиляции в новом здании. Его проект предусматривал забор воздуха в подземную камеру, где он подвергался бы нагреву или охлаждению. Затем воздух поднимался в помещение через тысячи небольших отверстий в полу и удалялся через потолок с помощью специальной вентиляционной шахты в большом дымоходе. Репутация Рида была создана его работой в Вестминстере. В 1837 году железная дорога Лидс и Селби заказала ему проведение исследования качества воздуха в своем туннеле. Пароходы, построенные для Нигерской экспедиции 1841 года, были оснащены системами вентиляции, основанными на Вестминстерской модели Рида. Воздух осушался, фильтровался и пропускался через угольный фильтр. Метод вентиляции Рида также был более полно реализован в зале Святого Георгия в Ливерпуле, где архитектор Харви Лонсдейл Элмс попросил Рида участвовать в проектировании вентиляции. Рид считал это единственным зданием, в котором его система была реализована в полном объеме.

Вентиляторы

С появлением практичной паровой тяги потолочные вентиляторы наконец-то смогли быть использованы для вентиляции. Рид установил четыре вентилятора, работающих на пару, под потолком больницы Святого Георгия в Ливерпуле, чтобы создаваемое ими давление поднимало поступающий воздух вверх и направляло его через вентиляционные отверстия в потолке. Пионерская работа Рида заложила основу для современных вентиляционных систем.

Проблемы

В жарком, влажном климате, некондиционированный приточный воздух может ежедневно приносить около 260 миллилитров воды на каждый кубический метр в час (м³/ч) наружного воздуха (или один фунт воды в день на каждый кубический фут в минуту наружного воздуха), в среднем за год. Это значительное количество влаги, которое может привести к серьезным проблемам с влажностью и образованию плесени в помещении. Например, для здания площадью 150 м² с воздухообменом 180 м³/ч это может привести к накоплению около 47 литров воды в день. Эффективность вентиляции определяется проектированием и планировкой, а также зависит от расположения и взаимной близости диффузоров и вытяжных отверстий. Если они расположены близко друг к другу, приточный воздух может смешиваться с отработанным, снижая эффективность системы ОВКВ и ухудшая качество воздуха. Дисбаланс системы возникает при неправильной настройке или установке компонентов системы ОВКВ, что может создавать разницу давлений (избыточный воздухообмен, вызывающий сквозняк, или недостаточный, приводящий к застоям воздуха). Перекрестное загрязнение происходит, когда разница давлений заставляет потенциально загрязненный воздух перемещаться из одной зоны в незагрязненную. Это часто проявляется в виде нежелательных запахов или ЛОС. Возврат выхлопных газов происходит, когда вытяжные отверстия и приточные воздухозаборники расположены слишком близко друг к другу, преобладающие ветры изменяют направление выхлопных потоков или происходит инфильтрация между приточным и вытяжным воздухом. Захват загрязненного наружного воздуха приточным потоком приводит к загрязнению воздуха в помещении. Существует множество источников загрязненного воздуха, от промышленных выбросов до ЛОС, выделяемых при проведении строительных работ поблизости.

Американское общество инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха (ASHRAE)

Стандарт ASHRAE 62.1 – Вентиляция для обеспечения приемлемого качества воздуха в помещениях.
Стандарт ASHRAE 62.2 – Вентиляция для обеспечения приемлемого качества воздуха в помещениях жилых зданий.