Аэродинамика промышленных зданий: аэродинамические расчёты при проектировании вентиляционных выбросов

Москва
ИНФРА-М
2022

АЭРОДИНАМИКА
ПРОМЫШЛЕННЫХ ЗДАНИЙ

АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ 
ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ 
ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ ВЫБРОСОВ

Â.Ò. ÑÀÌÑÎÍÎÂ

МОНОГРАФИЯ

2-е издание, переработанное и дополненное

Самсонов В.Т.
С17 
 
Аэродинамика промышленных зданий: аэродинамические 
расчеты при проектировании вентиляционных выбросов : монография / В.Т. Самсонов. — 2-е изд., перераб. и доп. — Москва : 
ИНФРА-М, 2022. — 230 с. — (Научная мысль). — DOI 10.12737/
monography_5c2084ba037bc1.36195199.

ISBN 978-5-16-014461-0 (print)
ISBN 978-5-16-106980-6 (online)

В систематизированном виде приведены рекомендации, методики 
и зависимости, необходимые для расчета воздействия ветра на промышленные здания и для проектирования вентиляционных процессов с учетом аэродинамической обстановки на площадке. Методики расчетов 
и рекомендации основаны на результатах собственных теоретических 
и экспериментальных исследований автора.
Основные разделы посвящены методам расчета и построения границ циркуляционных зон у зданий любой архитектурной формы и их 
конструктивных элементов; расчету пространственных характеристик 
воздушных потоков; построению траекторий факелов выбросов, распространяющихся в условиях сложной аэродинамической ситуации, и полей 
концентраций, создаваемых разнохарактерными источниками. Даны рекомендации по расчету давления ветра на здания при одиночном и групповом их расположении. Рассмотрено влияние турбулизированной среды 
производственных помещений на характеристики воздушных течений 
и эффективность локализующих устройств.
Во всех разделах даны подробные примеры расчетов.
Для широкого круга специалистов.

УДК 628.511(075.4)
ББК 38.762

УДК 628.511(075.4)
ББК 38.762
 
С17

© Самсонов В.Т., 2015
© Самсонов В.Т., 2019, 
     с изменениями
ISBN 978-5-16-014461-0 (print)
ISBN 978-5-16-106980-6 (online)

Предисловие

Постоянный рост объёмов производства, увеличение единичной

мощности технологического оборудования, концентрация производств на крупных предприятиях — характерные признаки современного развития промышленности, приводящие к резкому увеличению интенсивности сконцентрированных на небольших площадях источников выбросов газообразных и пылевидных вредных
веществ в атмосферу. Становится всё сложнее предотвращать попадание выбрасываемых вредных веществ в зоны забора приточного
воздуха.

Если вредные вещества попадают в приточный воздух, снижается

не только эффективность промышленной вентиляции, но и падает
надёжность вентиляционного и технологического оборудования.
Например, производственная пыль, попадая в больших количествах
в приточные камеры, может нарушать работу фильтров, оседать
на поверхностях калориферов, снижая их теплоотдачу, а при неблагоприятных условиях — выводить их из строя. Многие вредные
вещества вызывают повышенный износ технологического и вентиляционного оборудования, увеличивая эксплуатационные расходы.
Загрязнение производственной и окружающей среды в свою очередь является серьёзным препятствием на пути интенсивного ведения технологических процессов.

Выбрасываемые в атмосферу вредные вещества могут прони
кать в производственные помещения как с воздухом, подаваемым
приточными системами, так и естественным путём через фрамуги
и проемы. Возникает своеобразная циркуляция: вытяжные вентиляционные системы выбрасывают вредные вещества в атмосферу,
приточные (при недостаточной очистке выбросов и нерациональном размещении выбросов и воздухозаборных сооружений) —
возвращают некоторую их часть в помещения. Это делает либо невозможным снижение загрязнения производственной воздушной
среды до нормативов ПДК, либо вынуждает увеличивать воздухообмен и принимать другие меры, что неизбежно приводит к увеличению затрат на вентиляцию. При этом основную долю эксплуатационных затрат составляет обработка приточного воздуха, компенсирующего выбрасываемый в атмосферу загрязнённый воздух.

Если концентрация примесей в приточном воздухе превышает

тридцать процентов от предельно-допустимой концентрации для
воздуха рабочей зоны, воздухообмен в помещении необходимо увеличивать. Например, при
0,5
c
c
=
пр
пдк это увеличение составит

1,4 раза, при
0,8
c
c
=
пр
пдк — составит 2,8 раза ( cпр — концентрация

вредного вещества в приточном воздухе, cпдк — предельно-допустимая концентрация вредного вещества).

Необходимо учитывать, что в настоящее время эксплуатация

вентиляционных систем связана со значительным потреблением
тепловой и электрической энергии, иногда сопоставимым с энергопотреблением основного производства. В девяностые годы в стране
эксплуатировалось около 15 млн вентиляционных установок, потреблявших порядка 120 млрд кВт.ч электроэнергии в год, то есть
около 8% всей вырабатывавшейся электроэнергии.

Несмотря на значительное развитие топливодобывающей про
мышленности в нашей стране, топливный баланс её в течение
многих лет остаётся весьма напряжённым. Потребление топлива
растёт опережающими темпами, к тому же зачастую оно расходуется расточительно. Энергоёмкость национального дохода в стране
более чем в два раза выше, чем в развитых государствах [1]. В связи
с этим одной из важных и актуальных проблем настоящего времени
является рациональное использование материальных, в том числе
топливно-энергетических ресурсов.

Есть резервы в этом направлении в области проектирования мер

и средств защиты атмосферного воздуха промышленных площадок
и производственной воздушной среды от загрязнения. В частности,
существенный эффект можно получить за счёт рационального размещения выбросных и воздухозаборных сооружений. Хаотичное их
размещение, основанное лишь на технологических и строительных
требованиях, зачастую приводит к загрязнению приточного воздуха
даже в тех случаях, когда выполняются нормативы предельно-допустимых выбросов (ПДВ) для населённых мест. Это происходит потому, что на небольших расстояниях от источников концентрации
вредных веществ в факелах бывают значительными и в неблагоприятных вариантах взаимного расположения источников и воздухозаборных устройств вредные вещества могут попадать в приточный воздух.

В процессе проектирования должны прорабатываться различные

варианты технических решений. Но при этом следует иметь в виду,
что экономия энергии не может быть самоцелью, любое энергосберегающее мероприятие должно быть выгодно с хозяйственной
точки зрения. В первую очередь должны предусматриваться такие
мероприятия, для осуществления которых не требуются или почти
не требуются дополнительные капитальные вложения. В области
обеспечения нормируемой чистоты приточного воздуха к таким
мероприятиям относится обоснованный расчётами выбор мест
взаимного размещения выбросных и воздухоприёмных сооружений
промышленной вентиляции, оптимизация режимных параметров
воздухоочистного оборудования.

Однако в настоящее время отсутствует современная норма
тивно-техническая литература по вопросам снижения загрязнения 
приточного воздуха путём осуществления мер, основанных на анализе картины загрязнения атмосферы в непосредственной близости 
от мест воздухозабора. Практически все требования действующих 
нормативных документов направлены на обеспечение нормируемой 
чистоты воздуха селитебных территорий. Соответственно все мероприятия технического характера разрабатываются для выполнения 
этих требований. Обеспечению чистоты атмосферы в пределах территории предприятия или в окрестностях отдельных зданий внимания 
практически не уделяется, поскольку такого рода мероприятия не относятся к разделу проектов по защите атмосферного воздуха.

На территории предприятия загрязнение атмосферы не норми
руется, установлены лишь пределы концентраций в местах расположения воздухоприёмных сооружений. Но на небольших участках 
территории распределение концентраций выбросов крайне неравномерно вследствие малого удаления факелов от источников. Эта 
неравномерность сравнительно быстро снижается по мере удаления от источников, поскольку факелы выбросов интенсивно расширяются в силу суммарного действия начальной турбулентности 
струи выброса и высокой турбулентности атмосферных воздушных 
потоков, а также влияния циркуляционных течений.

Применительно к задачам промышленной вентиляции не
обходимы методики расчёта загрязнения воздуха, учитывающие 
влияние тех факторов, которые являются превалирующими на промышленных площадках. К таким факторам в первую очередь относятся высокая интенсивность турбулентности ветрового потока 
динамической природы и циркуляционные течения, возникающие 
за препятствиями (зданиями и их выступающими и западающими 
конструктивными элементами). Особенно сильно влияние этих 
факторов проявляется вблизи зданий усложнённой архитектурной 
формы вследствие взаимодействия многих циркуляционных течений между собой. Зачастую выбрасываемые неудачно расположенным источником вредные вещества взаимодействующими циркуляционными течениями переносятся вверх по потоку ветра и оказываются в местах, в которых на первый взгляд их быть не должно.

В условиях промышленной застройки возможны ситуации, 

когда аэрационные фонари оказываются задуваемыми, а дефлекторы перестают действовать. При неблагоприятном сочетании 
действующих фаторов возможно опрокидывание тяги систем естественной вытяжной вентиляции, что может привести к неблагоприятным и даже трагическим последствиям (например, в жилых 
домах, оборудованных квартирными газовыми отопительными котлами и подогревателями воды).

Для того, чтобы предотвратить перетекание загрязняющих ве
ществ из выбросных к воздухоприёмным сооружениям, необходимо 
тщательно рассчитывать все воздушные течения, возникающие 
при воздействии ветра на здания и их конструктивные элементы, 
и на основе анализа аэродинамической картины выбирать наилучший вариант размещения источников выбросов и воздухоприёмных сооружений.

Как справедливо отмечено в работе [2], в настоящее время аэ
родинамике зданий в научных разработках не уделяется должного 
внимания. Между тем различные аспекты аэродинамики зданий 
являются не только важными для оценки уровня загрязнения атмосферы промышленной площадки, но в ряде случаев определяющими для проектирования вентиляции здания, аэрации горячих 
цехов, расчёта воздушных потоков внутри здания, учёта инфильтрации воздуха при выборе ограждающих конструкций, а также 
оценки влияния здания на аэродинамический режим прилегающей 
территории.

Книга содержит необходимые для выполнения аэродинамиче
ских расчётов зависимости, графики и номограммы, основанные 
на результатах собственных научных исследований автора. Экспериментальная часть исследований выполнена на лабораторной базе 
Московского НИИ охраны труда.

Как будет показано дальше, в полученных зависимостях учтены 

все факторы, влияющие на процесс обтекания зданий и рассеяние 
примесей (более пятнадцати факторов). Результаты этих исследований положены в основу нескольких отраслевых методических 
документов, согласованных, утверждённых и опубликованных 
в установленном порядке. Эти документы использовались при проектировании различных объектов, в частности, для предприятий 
тракторного и сельскохозяйственного машиностроения.

В книге по каждому из рассматриваемых вопросов приводятся 

сведения общего характера, затем практические рекомендации 
и примеры расчётов. В главе 1 рассматриваются основные характеристики нижнего слоя атмосферы (в пределах застроенной территории). В главах 2 и 3 подробно освещаются вопросы аэродинамики 
зданий и их комплексов простой и сложной архитектурной формы.

В главе 4 приведены методики расчёта основных характеристик 

ветра на площадке и траекторий факелов выбросов. В главе 5 излагаются закономерности распространения примесей, выбрасываемых низкими источниками различных типов (трубы, фонари 
и др.). В остальных главах рассматриваются вопросы давления 
ветра на ограждающие конструкции зданий, приводятся практические рекомендации по снижению загрязнения атмосферы промышленных площадок и описываются методики и результаты 

экспериментальных исследований. Для уменьшения трудоёмкости 
вычислений разработаны номограммы, большинство конкретных 
задач могут быть решены с помощью пакета MS Office или других 
математических пакетов.

В последней главе рассмотрено влияние турбулизированной 

воздушной среды вентилируемых производственных помещений 
на характеристики приточных струй и эффективность «открытых» 
местных отсосов. Возможность прогнозирования осреднённых 
по помещению характеристик турбулентности воздушной среды 
позволит существенно повысить достоверность расчётов при проектировании вентрационных систем.

Основная цель, ставившаяся при написании этой работы, за
ключалась в предоставлении научным и проектным работникам 
сведений, методик расчёта и других материалов, необходимых для 
анализа аэродинамической картины на промышленной площадке 
и обоснования большого круга проектных решений по обеспечению нормируемых параметров воздуха и энергосбережению. 
В книге рассматриваются только те вопросы, решение которых 
в современной литературе отсутствует или представлено неполно. 
Сведения из опубликованных работ других авторов привлекаются 
в качестве подтверждения выдвинутых гипотез и полученных решений.

Настоящая книга является вторым, переработанным и допол
ненным изданием книги «Проветривание промышленных площадок: Аэродинамические расчёты при проектировании вентиляционных выбросов», изданной издательством ИНФРА-М 
в 2015 году. Внесены исправления неточностей, расширены существующие главы и добавлена новая глава, посвящённая учёту 
влияния турбулизированной воздушной среды производственных 
помещений на распространение струйных течений и эффективность местных отсосов.

ИССЛЕДОВАНИЯ В ОБЛАСТИ АЭРОДИНАМИКИ 

ПРОМЫШЛЕННЫХ ЗДАНИЙ

Аэродинамика зданий — научная дисциплина, которая изучает 

воздушные потоки, возникающие около зданий и внутри них под 
действием ветра и разности температур внутреннего и наружного 
воздуха, вентиляции и под влиянием производственных процессов 
(БСЭ), и воздействие ветра на ограждающие поверхности зданий.

Исследования в области аэродинамики зданий начались в конце 

XIX — начале XX веков. Это работы Ирмингера (1895), Стентона К. 
(1903), Рынина Н.А. (1913), Эйфеля (1914). Во второй половине XX 
века наибольший вклад в изучение аэродинамики зданий внесли 

академик Н.М. Томсон, К.А. Бункин, А.М. Черёмухин, профессора С.И. Стриженов, Э.И. Реттер, Ф.Л. Серебровский, а также 
В.В. Батурин, И.А. Шепелев, В.М. Эльтерман и др. Большой вклад 
в решение рассматриваемой проблемы внесли также П.И. Андреев, 
Г.В. Шелейховский и др.

Аэродинамическая труба Московского института охраны труда. 

Ведущие специалисты, внесшие большой вклад в развитие вентиляционной 

науки: слева — доктор технических наук профессор Батурин Владимир Василь
евич, справа — кандидат технических наук Кучерук Викторин Владимирович

Исследования были направлены в основном на установление 

закономерностей изменения аэродинамических коэффициентов 
и характеристик течений вблизи отдельных зданий при воздействии ветра. (Аэродинамический коэффициент представляет собой 
отношение избыточного статического давления в конкретной точке 
наружной поверхности здания к динамическому давлению ветра; 
энергетический смысл этого коэффициента заключается в том, 
что его значение показывает, какая часть удельной кинетической 
энергии превращается в удельную потенциальную.)

В последующие годы в ряде научно-исследовательских 

и учебных институтов продолжались исследования в области 
строительной аэродинамики. В Институте механики МГУ проводились широкие исследования аэродинамических характеристик 
зданий и ветрозащищённости застроенных территорий [3]. В Московском инженерно-строительном университете (МГСУ) выполнен 
комплекс экспериментальных исследований в объёмном гидравлическом лотке, посвященный изучению характеристик отрывных 
течений за зданиями простой формы и созданию методов расчёта 

концентраций выбрасываемых в атмосферу промышленной площадки вредных веществ [4, 5, 67]. Однако результаты этих исследований в некоторой части противоречивы и не совпадают с данными 
других авторов.

Исследования в этой области выполнялись также в институте 

ЦНИИПромзданий.

В Московском ЦНИИ охраны труда (МИОТ) проводили из
учение закономерностей распространения выбросов в атмосфере 
промышленных площадок [6]. Однако в исследованиях семидесятых годов были приняты существенные упрощения как аэродинамической картины, так и модели распространения примесей.

К сожалению, публикуемые в различных изданиях результаты 

научных исследований не реализуются в нормативно-методических 
документах и не находят отражения в отечественных справочных 
изданиях по вентиляции. Например, в Энциклопедии по инженерному оборудованию зданий и сооружений [7] лишь обосновывается актуальность проблемы: «Изучение размеров и других 
характеристик циркуляционных зон необходимо для расчета диффузии вредных примесей вблизи здания, выбора мест расположения устройств, выбрасывающих вредные примеси в атмосферу, 
степени их очистки, расположения мест воздухозабора. При расчете ветровой нагрузки на здание, а также при определении естественного воздухообмена в его помещениях необходимо знать 
избыточное статическое давление, возникающее за счет действия 
ветра». Но практических рекомендаций по расчёту и организации 
выбросных и воздухозаборных сооружений в Энциклопедии не содержится.

В многократно переиздававшемся Справочнике проектиров
щика «Вентиляция и кондиционирование воздуха» [8] вовсе нет 
упоминания об этой проблеме.

В СНиП 41–01–2003 [9] включён раздел 10 «Выбросы воздуха 

в атмосферу» и приложение П (риc. 1, а). Требования и рекомендации по расчёту в этом разделе сформулированы таким образом, 
что не учитывают ни характеристики полей скоростей ветра, изменяющиеся под влиянием застройки, ни наличие циркуляционных зон, резко меняющих картину распространения примесей. 
Например, невозможно объединить в один условный источник 
вентиляционные источники, расположенные внутри окружности 
диаметром 20 м, если они находятся в разных аэродинамических 
пространствах: в циркуляционной зоне, в зоне затишья, на проветриваемом участке крыши, потому что примеси в этих случаях распространяются с разной интенсивностью и в разных направлениях. 
Поэтому результаты расчётов в соответствии с этим разделом могут 
привести к грубым ошибкам проектирования.

Риc. 1. а — Значения коэффициента K, характеризующего падение концен
трации вредных веществ в факеле от источника малой мощности (СНиП 

41–01); б — пример неудачного расположения источника выбросов 1 и при
точной камеры 2

В специальной литературе приводятся примеры неграмотного 

расположения приточных камер и источников выбросов. На фотографии (риc. 1, б) показан один из подобных случаев.

Риc. 2. Схематическое изображение течений вокруг здания простой формы 

(на рисунке Cдоп — предельно допустимая концентрация)

В зарубежной научной и справочной литературе проблеме ра
ционального проектирования выбросов и воздухозаборов с учётом 
аэродинамики зданий уделяется существенно больше внимания. 
Например, почти в каждом выпуске Справочника, издающемся 
Американским обществом инженеров по отоплению, охлаждению 
и кондиционированию воздуха (ASHRAE), содержится большой 
раздел, посвящённый организации выбросов и воздухозаборов при 
строительстве зданий (1997 ASHRAE Fundamentals Handbook, ch. 15; 
2007 ASHRAE Handbook HVAC Applications, ch. 44; 2009 ASHRAE