Задача аэродинамического расчета систем вентиляции

Соединительные элементы — фитинги

Пластиковые фитинги помогут собрать магистраль нужной конфигурации. Для соединения труб или коробов, поворота магистрали под нужным углом используют следующие фитинги для вентиляции»

1. Прямой угол под 90 градусов.
2. Угол поворота на 45 градусов.
3. Тройниковое ответвление под 90 или 45 градусов.
4. Крестовина.
5. Соединительная муфта.

В каталоге фитингов различных производителей имеются различные сборочные компоненты, позволяющие составить любую вентиляционную трассу. Например, для подключения вытяжки, расположенной над кухонной плитой, необходимо повернуть канал вентиляции под прямым углом, пользуясь угловым отводом. Далее прямой участок трубы нужно повернуть в сторону отверстия вытяжной шахты. Для этого используют поворотный соединительный элемент.

Факторы, оказывающие влияние на размеры воздухопроводов

На проектируемых или вновь строящихся объектах удачно проложить трубопроводы вентиляционных систем не составляет большой проблемы – достаточно согласовать месторасположение систем относительно рабочих мест, оборудования и других инженерных сетей. В действующих промышленных зданиях это сделать гораздо сложнее в силу ограниченного пространства.

Схема соединения оборудования для принудительной вентиляции.

Этот и еще несколько факторов оказывают влияние на расчет диаметра воздуховода:

1. Один из главных факторов – это расход приточного или вытяжного воздуха за единицу времени (м3/ч), который должен пропустить данный канал.
2. Пропускная способность также зависит от скорости воздуха (м/с). Она не может быть слишком маленькой, тогда по расчету размер воздухопровода выйдет очень большим, что экономически нецелесообразно. Слишком высокая скорость может вызвать вибрации, повышенный уровень шума и мощности вентиляционной установки. Для разных участков приточной системы рекомендуется принимать различную скорость, ее значение лежит в пределах от 1.5 до 8 м/с.
3. Имеет значение материал воздуховода. Обычно это оцинкованная сталь, но применяются и другие материалы: различные виды пластмасс, нержавеющая или черная сталь. У последней самая высокая шероховатость поверхности, сопротивление потоку будет выше, и размер канала придется принять больше. Значение диаметра следует подбирать согласно нормативной документации.

В Таблице 1 представлена нормаль размеров воздуховодов и толщина металла для их изготовления.

Таблица 1

Диаметр, мм	100	125	140	160	180	200	225	250	315
Толщина металла, мм	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5	0.6	0.6	0.6
Диаметр, мм	355	400	450	500	560	630	710	800	900
Толщина металла, мм	0.6	0.6	0.6	0.7	0.7	0.7	0.7	0.7	1.0

Устройство вентиляционных коробов.

Примечание: Таблица 1 отражает нормаль не полностью, а только самые распространенные размеры каналов.

Воздуховоды производят не только круглой, но и прямоугольной и овальной формы. Их размеры принимаются через значение эквивалентного диаметра. Также новые методы изготовления каналов позволяют использовать металл меньшей толщины, при этом повышать в них скорость без риска вызвать вибрации и шум. Это касается спирально-навивных воздухопроводов, они имеют высокую плотность и жесткость.

Особенности аэродинамических расчетов

Ознакомимся с общей методикой проведения такого рода расчетов при условии, если и сечение, и давление нам неизвестны. Сразу оговоримся, что аэродинамический расчет следует проводить исключительно после того, как будет определено требуемые объемы воздушных масс (они будут проходить по системе воздушного кондиционирования) и спроектировано приблизительное месторасположение каждого из воздуховодов в сети.

И дабы провести расчет, необходимо вычертить аксонометрическую схему, в которой будет присутствовать перечень всех элементов сети, а также их точные габариты. В соответствии с планом вентиляционной системы рассчитывается суммарная длина воздухопроводов. После этого всю систему следует разбить на отрезки с однородными характеристиками, по которым (только по отдельности!) и будет определен расход воздуха. Что характерно, для каждого из однородных участков системы следует провести отдельный аэродинамический расчет воздуховодов, потому что в каждом из них имеется своя скорость перемещения воздушных потоков, а также перманентный расход. Все полученные показатели необходимо внести в уже упомянутую выше аксонометрическую схему, а потом, как вы уже наверняка догадались, необходимо выбрать главную магистраль.

Исходные данные для вычислений

Когда известна схема вентиляционной системы, размеры всех воздухопроводов подобраны и определено дополнительное оборудование, схему изображают во фронтальной изометрической проекции, то есть аксонометрии. Если ее выполнить в соответствии с действующими стандартами, то на чертежах (или эскизах) будет видна вся информация, необходимая для расчета.

1. С помощью поэтажных планировок можно определить длины горизонтальных участков воздухопроводов. Если же на аксонометрической схеме проставлены отметки высот, на которых проходят каналы, то протяженность горизонтальных участков тоже станет известна. В противном случае потребуются разрезы здания с проложенными трассами воздухопроводов. И в крайнем случае, когда информации недостаточно, эти длины придется определять с помощью замеров по месту прокладки.
2. На схеме должно быть изображено с помощью условных обозначений все дополнительное оборудование, установленное в каналах. Это могут быть диафрагмы, заслонки с электроприводом, противопожарные клапаны, а также устройства для раздачи или вытяжки воздуха (решетки, панели, зонты, диффузоры). Каждая единица этого оборудования создает сопротивление на пути воздушного потока, которое необходимо учитывать при расчете.
3. В соответствии с нормативами на схеме возле условных изображений воздуховодов должны быть проставлены расходы воздуха и размеры каналов. Это определяющие параметры для вычислений.
4. Все фасонные и разветвляющие элементы тоже должны быть отражены на схеме.

Если такой схемы на бумаге или в электронном виде не существует, то придется ее начертить хотя бы в черновом варианте, при вычислениях без нее не обойтись.

Пошаговый аэродинамический расчет воздуховодов

Перед монтажом воздуховодов проводится аэродинамический расчет вентиляции

Работа состоит из нескольких этапов, каждый из которых решает локальную задачу. На основании полученных данных рассчитываются различные параметры воздуховодов.

Основные задачи оборудования системы вентиляции:

• Забор свежего воздуха с улицы и подача его в помещение. Дополнительная функция – подогрев воздушных масс зимой и охлаждение летом.
• Очистка воздуха от грязи, пыли и ворса.
• Снижение звукового давления.
• Равномерное распределение свежего воздуха по всей квартире.
• Удаление отработанного воздуха и удаление его на улицу.

Вентиляционная система характеризуется следующими параметрами:

• План работ. В данном случае это воздух. Характеризуется плотностью, динамической вязкостью, кинетической вязкостью. Эти значения зависят от температуры рабочей жидкости.
• Скорость движения рабочего органа.
• Местное аэродинамическое сопротивление воздуховодов.
• Потеря давления.

Объем общей трубы должен соответствовать количеству воздуха в дополнительных трубах

Алгоритм аэродинамических расчетов:

• Разработка аксонометрической схемы распределения воздушных масс по воздуховодам. На этой основе выбирается наилучший метод расчета с учетом особенностей вентиляции.
• Выполните аэродинамические расчеты для основных дорог и второстепенных дорог.
• Выбор геометрической формы и сечения трубы. Определение технических характеристик вентиляторов и обогревателей. Определение возможности установки датчиков пожаротушения, автоматического регулирования мощности вентиляции.

Это основные этапы расчета.

Расчет системы вентиляции

Нормативный объем приточного воздуха

Обычно в жилых зданиях используются системы естественной вентиляции. В этом случае наружный воздух поступает внутрь помещений через фрамуги, форточки и специальные клапаны, а его удаление происходит с помощью вентиляционных каналов. Они могут быть приставными или располагаться во внутренних стенах. Возведение вентиляционных каналов во внешних ограждающих конструкциях не допускается из-за возможного образования конденсата на поверхности и последующего повреждения сооружений. Кроме того, охлаждение может снижать скорость воздухообмена.

Обеспечение естественного притока воздуха с помощью проветривания

Определение параметров вентиляционных труб для жилых зданий осуществляется на основании требований, регламентируемых СНиП, и другими нормативными документами. Кроме того, важен и показатель кратности обмена, который отражает эффективность функционирования вентиляционной системы. Согласно ему объем притока воздуха в помещение зависит от его назначения и составляет:

• Для жилых зданий —3 м 3 /час на 1 м 2 площади, независимо от числа людей, пребывающих на территории. По санитарным нормам для временно находящихся достаточно 20 м 3 /час, а для постоянных жителей — 60 м 3 / час.
• Для подсобных сооружений (гараж и т.п.) —не менее 180 м 3 /час.

Чтобы рассчитать диаметр труб для вентиляции, в качестве основы берут систему с естественным притоком воздуха, без установки специальных устройств. Самый простой вариант — воспользоваться соотношением площади помещения и сечения вентиляционного отверстия.

В жилых зданиях на 1 м 2 необходимо 5,4 м 2 сечения воздуховода, а в подсобных — около 17,6 м 2 . Однако менее 15 м 2 его диаметр быть не может, иначе не обеспечивается циркуляция воздуха. Более точные данные получаются при помощи сложных расчетов.

Алгоритм определения диаметра вентиляционной трубы

На основании таблицы, приведенной в СНиП, производится определение параметров вентиляционной трубы на основании кратности воздухообмена. Она представляет собой величину, которая показывает, сколько раз в течение часа происходит замена воздуха в помещении, и зависит от его объема. Прежде чем определить диаметр трубы для вентиляции, выполняют следующее:

1. Вычисляют объем каждого помещения, путем перемножения трех его размеров.
2. Определяют необходимый объем воздуха согласно формуле (отдельно для каждого помещения)
3. Обычно для большинства комнат нормируется или вытяжка, или приток. В некоторых помещениях нужно обеспечить и поступление воздуха, и его своевременное удаление.
4. Все значения L нужно округлить в сторону увеличения таким образом, чтобы получить цифру, кратную 5.
5. Для тех помещений, где необходим только приток или вытяжка, расчетный объем воздуха суммируют отдельно.
6. Составляют баланс, в котором суммарные объема притока и вытяжки должны совпадать.
7. Определив необходимый объем воздуха для всего жилья, по диаграмме находят диаметр трубы для вытяжки. При этом необходимо учитывать, что скорость в центральном воздуховоде не должна превышать 5 м/с, а в его ответвлениях — 3 м/с.

Расчет

При проектировании вентиляционной системы делается первичный расчет аэродинамических потерь. Для этого используется формула:

В данной формуле:

• «Ryd» — величина возможных удельных потерь при работе всей системы;
• «Pgr» — общая гравитационная нагрузка воздуха при прохождении вертикальных участков;
• «∑l» — общая сумма всех участков и элементов, которые создают давление при прохождении воздуха.

Конечная величина определяется в Па. После определения коэффициента потерь рассчитывается трение. Делается расчет по следующей формуле:

Формула состоит из следующих значений:

• «Re» — критерий Рейнольдса.
• «Кэ» — абсолютная эквивалентная шероховатость.

Для определения абсолютной шероховатости Кэ материалов применяется таблица, которая приведена ниже.

Большое значение при проектировании вентиляции играет диаметр воздуховодов. Его можно рассчитать следующим образом:

В данной формуле:

• «F» — площадь сечения воздуховодов.
• «Q» — общий расход воздуха. Рассчитывается в кубических метрах в секунду.
• «Vрек» — самая оптимальная скорость потока в метрах в секунду. Значение берется из таблицы.

После расчета площади сечения, необходимо определить форму сечения воздуховодов. Полученную величину «F» нужно округлить и на основе полученных данных определить диаметр воздуховодов круглой формы. Если требуется установить трубы прямоугольной формы, то величину «F» делят на высоту и ширину будущего элемента. Полученное значение также округляется и сверяется с таблицей, а потом подбирается наиболее близкий размер.

При проектировании воздуховодов также учитывается коэффициент трения воздуха о внутреннюю поверхность. Для улучшения аэродинамики применяются материалы, такие как нержавеющая или оцинкованная сталь, алюминий или пластик. Пластик используется только в случае работы системы в качестве вентиляции, охлаждения помещений.

Полученные ранее данные используются для расчета мощности вентилятора. Делается это по формуле:

В этой формуле:

• «N» — мощность самого вентилятора, а точнее его электрического двигателя в киловаттах.
• «Qвент» — уровень воздушных расходов, нагнетаемых вентилятором.
• «Pвент» — разница давлений на выходе и входе.
• «n» — КПД всей системы вентиляции.

Расчет всей системы с точными значениями мощности и КПД вентилятора также учитывается потери давления на каждом отдельном участке, величину безвозвратного расхода воздуха (при открытых окнах), а также местные потери (сопротивление с мебелью).

Ниже приведена таблица значений для вычисления и проектирования вентиляции.

Аэродинамический расчет воздуховодов – алгоритм действий

Работы включают в себя несколько последовательных этапов, каждый из которых решает локальные задачи. Полученные данные форматируются в виде таблиц, на их основании составляются принципиальные схемы и графики. Работы разделяются на следующие этапы:

Разработка аксонометрической схемы распределения воздуха по системе. На основе схемы определяется конкретная методика расчетов с учетом особенностей и задач вентиляционной системы.
Выполняется аэродинамический расчет воздуховодов как по главным магистралям, так и по всем ответвлениям.
На основании полученных данных выбирается геометрическая форма и площадь сечения воздуховодов, определяются технические параметры вентиляторов и калориферов

Дополнительно принимается во внимание возможность установки датчиков пожаротушения, предупреждения распространения дыма, возможность автоматической регулировки мощности вентиляции с учетом составленной пользователями программы.

Виды воздуховодов

Прямоугольный вытяжной вентиляционный канал

Современные воздуховоды можно классифицировать по нескольким параметрам: способ монтажа, материал изготовления, форма сечения.

По установке различают внешние и встроенные каналы. Первые устанавливаются поверх стен и видны глазу. Внутренне монтируется в стены и конструкцию дома.

Материал трубы может быть разным. Это различные металлы (медь, сталь, алюминий) и пластик. Изделия из металла отличаются своей прочностью и надежностью, но их монтаж сложнее. Сборка пластиковых блоков проще, но они не используются при высоких температурах.

Сечение может быть прямоугольным или круглым. Прямоугольные трубы универсальны, но в углах могут создаваться завихрения. Круглые модели лишены такого недостатка.

Расчет скорости воздуха в воздуховоде по сечению: таблицы, формулы

При расчете и установке вентиляции большое внимание уделяется количеству свежего воздуха, поступающего по этим каналам. Для вычислений используются стандартные формулы, которые хорошо отражают зависимость между габаритами вытяжных устройств, скоростью движения и расходом воздуха

Некоторые нормы прописаны в СНиПах, но в большинстве своем имеют рекомендательный характер

Некоторые нормы прописаны в СНиПах, но в большинстве своем имеют рекомендательный характер.

Общие принципы расчета

Воздуховоды могут быть изготовлены из различных материалов (пластик, металл) и иметь разные формы (круглые, прямоугольные). СНиП регулирует только габариты вытяжных устройств, но не нормирует количество притяжного воздуха, т. к. его потребление в зависимости от типа и назначения помещения может сильно различаться. Этот параметр высчитывается по специальным формулам, которые подбираются отдельно.

Нормы установлены только для социальных объектов: больниц, школ, дошкольных учреждений. Они прописаны в СНиПах для таких зданий. При этом отсутствуют четкие правила по скорости движения воздуха в воздуховоде. Есть только рекомендуемые значения и нормы для принудительной и естественной вентиляции в зависимости от ее типа и назначения, их можно посмотреть в соответствующих СНиПах. Это отражено в таблице, приведенной ниже.

Скорость движения воздуха измеряется в м/с.

Рекомендуемые скорости воздуха

Дополнить данные в таблице можно следующим образом: при естественной вентиляции скорость движения воздуха не может превышать 2 м/с независимо от ее назначения, минимальная допустимая – 0,2 м/с. В противном случае обновление газовой смеси в помещении будет недостаточным. При принудительной вытяжке максимально допустимым считается значение 8 -11 м/с для магистральных воздуховодов. Превышать данные нормы не следует, т. к. это создаст слишком большое давление и сопротивление в системе.

Формулы для расчета

Для проведения всех необходимых вычислений необходимо обладать некоторыми данными. Чтобы вычислить скорость воздуха, понадобится следующая формула:

ϑ= L / 3600*F, где

ϑ – скорость потока воздуха в трубопроводе вентиляционного устройства, измеряется в м/с;

L – расход воздушных масс (данная величина измеряется в м3/ч) на том участке вытяжной шахты, для которого производится вычисление;

F – площадь поперечного сечения трубопровода, измеряется в м2.

По данной формуле и производится расчет скорости воздуха в воздуховоде, причем его фактическое значение.

Из этой же формулы можно вывести и все остальные недостающие данные. Например, чтобы рассчитать расход воздуха, формулу необходимо преобразовать следующим образом:

L = 3600 x F x ϑ.

В некоторых случаях подобные вычисления производить сложно или не хватает времени. В этом случае можно использовать специальный калькулятор. Встречается множество подобных программ в интернете. Для инженерных бюро лучше установить специальные калькуляторы, которые обладают большей точностью (вычитают толщину стенки трубы при расчете ее площади поперечного сечения, ставят большее количество знаков в число пи, высчитывают более точный расход воздуха и т. д.).

Знать скорость движения воздуха необходимо для того, чтобы вычислить не только объем подачи газовой смеси, но и для определения динамического давления на стенки каналов, потерь на трение и сопротивление и т.д.

Несколько полезных советов и замечаний

Как можно понять из формулы (или при проведении практических расчетов на калькуляторах), скорость воздуха увеличивается при уменьшении размеров трубы. Их этого факта можно извлечь ряд преимуществ:

• не возникнет потерь или необходимости в прокладке дополнительного вентиляционного трубопровода для обеспечения необходимого расхода воздуха, если габариты помещения не позволяют провести каналы больших размеров;
• можно прокладывать трубопроводы меньших размеров, что в большинстве случаев проще и удобней;
• чем меньше диаметр канала, тем дешевле его стоимость, снизится цена и на доборные элементы (заслонки, клапаны);
• меньший размер труб расширяет возможности монтажа, их можно расположить так, как нужно, практически не подстраиваясь под внешние стесняющие факторы.

Однако при прокладке воздуховодов меньшего диаметра необходимо помнить, что при повышении скорости воздуха повышается динамическое давление на стенки труб, увеличивается и сопротивление системы, соответственно потребуется более мощный вентилятор и дополнительные расходы. Поэтому до монтажа необходимо тщательно провести все расчеты, чтобы экономия не обернулась большими затратами или даже убытками, т.к. постройку, не соответствующую нормам СНиП могут не допустить до эксплуатации.

Расчет систем вентиляции

21 июня 2017 года

Производительность по воздуху

Расчет системы вентиляции начинается с определения производительности по воздуху (воздухообмена), измеряемой в кубометрах в час. Для расчетов нам потребуется план объекта, где указаны наименования (назначения) и площади всех помещений.

Подавать свежий воздух требуется только в те помещения, где люди могут находиться длительное время: спальни, гостиные, кабинеты и т. п. В коридоры воздух не подается, а из кухни и санузлов удаляется через вытяжные каналы. Таким образом, схема движения воздушных потоков будет выглядеть следующим образом: свежий воздух подается в жилые помещения, оттуда он (уже частично загрязненный) попадает в коридор, из коридора — в санузлы и на кухню, откуда удаляется через вытяжную вентиляцию, унося с собой неприятные запахи и загрязнители. Такая схема движения воздуха обеспечивает воздушный подпор «грязных» помещений, исключая возможность распространения неприятных запахов по квартире или коттеджу.

Для каждого жилого помещения определяется количество подаваемого воздуха. Расчет обычно ведется в соответствии со  СНиП 41-01-2003 и МГСН 3.01.01. Поскольку СНиП задает более жесткие требования, то в расчетах мы будем ориентироваться на этот документ. В нем говорится, что для жилых помещений без естественного проветривания (то есть там, где окна не открывают) расход воздуха должен составлять не менее 60 м³/ч на человека. Для спален иногда используют меньшее значение — 30 м³/ч на человека, поскольку в состоянии сна человек потребляет меньше кислорода (это допустимо по МГСН, а также по СНиП для помещений с естественным проветриванием). При расчете учитываются только люди, находящиеся в помещении длительное время. Например, если у вас в гостиной пару раз в году собирается большая компания, то увеличивать производительность вентиляции из-за них не нужно. Если же вы хотите, чтобы гости чувствовали себя комфортно, можно установить VAV-систему, которая позволяет регулировать расход воздуха раздельно в каждом помещении. С такой системой вы сможете увеличить воздухообмен в гостиной за счет его снижения в спальне и других помещениях.

После расчета воздухообмена по людям нам нужно рассчитать воздухообмен по кратности (этот параметр показывает, сколько раз в течение одного часа в помещении происходит полная смена воздуха). Чтобы воздух в помещении не застаивался, нужно обеспечить хотя бы однократный воздухообмен.

Таким образом, для определения требуемого расхода воздуха нам нужно рассчитать два значения воздухообмена: по количеству людейи по кратности и, после чего выбрать большее из этих двух значений:

1. Расчет воздухообмена по количеству людей: L = N * Lnorm, где
   L — требуемая производительность приточной вентиляции, м³/ч;
   N — количество людей;
   Lnorm — норма расхода воздуха на одного человека:
   •      в состоянии покоя (сна) — 30 м³/ч;
   •      типовое значение (по СНиП) — 60 м³/ч;
2. Расчет воздухообмена по кратности: L = n * S * H, где
   L — требуемая производительность приточной вентиляции, м³/ч;
   n — нормируемая кратность воздухообмена:
   для жилых помещений – от 1 до 2, для офисов – от 2 до 3;
   S — площадь помещения, м²;
   H — высота помещения, м;

Рассчитав необходимый воздухообмен для каждого обслуживаемого помещения, и сложив полученные значения, мы узнаем общую производительность системы вентиляции. Для справки типовые значения производительности вентиляционных систем:

• Для отдельных комнат и квартир — от 100 до 500 м³/ч;
• Для коттеджей — от 500 до 2000 м³/ч;
• Для офисов — от 1000 до 10000 м³/ч.

Этап третий: увязка ответвлений

Когда проведены все необходимые расчёты необходимо произвести увязку нескольких ответвлений. Если система обслуживает один уровень, то увязывают ответвления не входящие в магистраль. Расчёт проводят в том же порядке, что и для основной линии. Результаты заносятся в таблицу. В многоэтажных зданиях для увязки используются поэтажные ответвления на промежуточных уровнях.

Критерии увязки

Здесь сопоставляются значения суммы потерь: давления по увязываемым отрезкам с параллельно присоединённой магистралью. Необходимо чтобы отклонение составляло не более 10 процентов. Если установлено, что расхождение больше, то увязку можно проводить:

• путём подбора соответствующих размеров сечения воздуховодов;
• при помощи установки на ответвлениях диафрагм или дроссельных клапанов.

Иногда для проведения подобных расчётов необходим всего лишь калькулятор и пара справочников. Если же требуется провести аэродинамический расчёт вентиляции больших зданий или производственных помещений, то понадобится соответствующая программа. Она позволит быстро определить размеры сечений, потери давления как на отдельных отрезках, так и во всей системе в целом.

https://www.youtube.com/watch?v=v6stIpWGDow Video can’t be loaded: Проектирование систем вентиляции. (https://www.youtube.com/watch?v=v6stIpWGDow)

Комментариев:

• Исходные данные для вычислений
• С чего начинать? Порядок вычислений

Сердцем любой вентиляционной системы с механическим побуждением воздушного потока является вентилятор, который создает этот поток в воздуховодах. Мощность вентилятора напрямую зависит от напора, который необходимо создать на выходе из него, а для того, чтобы определить величину этого давления, требуется произвести расчет сопротивления всей системы каналов.

Для расчета потерь давления нужна схема и размеры воздуховода и дополнительного оборудования.