Расчет стак-эффекта в высотных зданиях и как он влияет на системы вентиляции

Стак-эффект играет значительную роль в формировании распределения давления в высотных зданиях и определении наиболее эффективных методов обеспечения безопасности при эвакуации.

Влияние стак-эффекта выражается в вертикальном перемещении воздуха в лестничных клетках, лифтовых или коммуникационных шахтах и естественном гравитационном перепаде давления между верхним и нижним этажами. Разница в давлении зависит от разницы температур внутри и снаружи здания, а также от его высоты.

Величина полной разности давлений в теплый период года, обычно ниже, чем в холодный период года, из-за меньшей разности температур. Расчетная разность давлений Δр_i определяется по формуле (1):

(1)

где Н – высота здания, м, от уровня средней планировочной отметки земли до верха парапета, центра вытяжных отверстий фонаря или устья шахт;

g – ускорение силы тяжести (g = 9,81 м/с²);

р_i, р_p – плотность, кг/м³, наружного воздуха и воздуха в помещении соответственно, определяемая по формуле (2):

(2)

В высотных зданиях проблема стак-эффекта может иметь значительное влияние на распределение давления внутри здания, что может привести к работе систем подпора воздуха в нерасчетном режиме. Это происходит из-за неконтролируемого перепада давления, который возникает в результате движения воздуха снизу вверх, что является стак-эффектом. В холодный период года, когда температура окружающей среды низкая, стак-эффект проявляется наиболее ярко.

Когда холодный наружный воздух подается сверху в лестничные клетки или шахты лифта, он создает зону высокого давления на верхних этажах и существенно увеличивает перепад давления внутри них. Это необходимо учитывать при выборе вентиляторов систем подпора, установленных на крыше здания.

В теплый период года, при высоких температурах окружающей среды, наблюдается обратный стак-эффект, при котором воздух движется сверху вниз. В этом случае подача теплого наружного воздуха на более холодные лестницы создает зону низкого давления на верхних этажах и зону высокого давления на нижних этажах.

Из-за высокой теплоемкости конструкций лестниц и шахт лифта стабилизация распределения давления с помощью интенсивной вентиляции не всегда возможна. В случае пожара стак-эффект создает два основных риска, связанных с неконтролируемым распределением давления в защищаемом пространстве:

• усилие, необходимое для открывания эвакуационной двери, может значительно превышать нормативное значение 50–150 Па из-за большого перепада давления на эвакуационной двери в зоне высокого давления.
• проникновение дыма в помещение, для эвакуации из-за недостаточного перепада давления в зоне низкого давления.

Для того чтобы избежать последствия стак-эффекта, необходимо:

• иметь примерный, а также точный расчет распределения давления при стак-эффекте.
• предусмотреть последовательно расположенные тамбур-шлюзы на пути движения воздуха от вертикальных шахт к фасаду. Тамбур-шлюзы должны быть герметичными и согласованными между собой, чтобы эффективно распределять давление;
• собирать перепады давления на неэксплуатируемом фасаде является наиболее эффективным способом в холодный период года, когда нельзя открывать окна. Это также позволяет разгружать внутренние двери, используемые постоянно жильцами здания;
• разрабатывается эффективная схема управления дисбалансами систем вентиляции для различных групп помещений и лифтовых шахт;
• понижение температуры в шахте лифта.

Рассмотрим стак-эффект на примере высотного здания:

Холодный период года, высотное здание в городе Москва, с температурой внутри здания 20°С, наружной температурой минус 26°С.

Этажность здания: 45 этажей.

Высота здания: 160 м.

По формуле (1) определим Δр_i:

Перепад давления по высоте здания составляет 0,043 Па/К на один метр.

Перепад давления от стак-эффекта по высоте здания на метр составит:

(3)

Диаграмма распределения давления, вызванного стак-эффектом, представлена на рисунке:

Рис. Распределение давления внутри здания, вызванное стак-эффектом

На данной диаграмме мы видим, что часть здания, в которую воздух стремится затекать, отделяется от части, из которой воздух стремится вытекать, так называемым уровнем нейтрального давления (NPL – neutral pressure level). Положение NPL зависит от свойств воздухопроницаемости оболочки зданий, проницаемых ограждающих конструкций, геометрии самого здания и дисбалансов, создаваемых системами вентиляции. На нижнем этаже отрицательное давление составило 600 Па, что сильно ухудшает функциональность здания. К примеру, давление на двери, чтобы человек открыл ее – должно быть в пределах от 50 до 150 Па, а двери лифта открываются при давлении 100 Па.

Для более точных и проектных расчетов, чтобы учесть проницаемых ограждающих конструкций, геометрии самого здания и дисбалансов, создаваемых системами вентиляции необходимо производить CFD расчет здания.