Расчет систем механической вентиляции

Московский государственный технический университет  
имени  Н.Э. Баумана 

 
А.И. Комкин,  В.С. Спиридонов 
 
 
 
 
 РАСЧЕТ СИСТЕМ 
МЕХАНИЧЕСКОЙ  ВЕНТИЛЯЦИИ 
 
Рекомендовано редсоветом МГТУ имени Н.Э. Баумана 
в качестве учебного пособия по курсу 
«Безопасность жизнедеятельности» 
 
 

 

 

 
 
 
 
 
 
М о с к в а 
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 
2 0 0 7 

УДК 697.9(075.8) 
ББК  38.762.2 
          К63 
 
 
Рецензенты: Б.Н. Нюнин, С.Г. Смирнов 

 Комкин А.И., Спиридонов В.С. 
Расчет систем механической вентиляции: Учеб. пособие 
по курсу «Безопасность жизнедеятельности». – М.: Изд-во 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. –  182 с.: ил. 
 
ISBN 978-5-7038-2950-9 

Рассмотрены вопросы, связанные с нормированием параметров микроклимата и состава воздуха производственных помещений, выделением 
вредных веществ и избытков теплоты при выполнении различных технологических операций. Указаны особенности организации вентиляции в производственных помещениях. Изложены методики расчета систем механической вентиляции. Приведены примеры расчета и необходимые справочные данные. 
Для студентов, изучающих курс «Безопасность жизнедеятельности», а 
также выполняющих курсовое и дипломное проектирование. 
Ил. 47. Табл. 38. Прил. 4. Библиогр. 21 назв. 
 
                                                                                                              УДК 697.9(075.8) 
                                                                                                   ББК 38.762.2 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ISBN 978-5-7038-2950-9                                            © МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007 

К63 

ВВЕДЕНИЕ 

Проведение многих технологических процессов сопровождается выделением в производственные помещения теплоты, влаги, 
различных паров, газов и аэрозолей, что вызывает изменения состава и метеорологического состояния (микроклимата) воздушной 
среды в помещениях. Состав воздушной среды характеризуется 
концентрацией содержащихся в ней веществ. Микроклимат определяют следующие физические параметры воздушной среды: температура, относительная влажность, скорость движения воздуха и 
барометрическое давление. Изменение  состава и состояния воздушной среды может негативно влиять на самочувствие людей, 
снижать производительность труда и вызывать различные заболевания. 
Для нормирования вредного воздействия воздушной среды на 
организм человека разработаны гигиенические требования к составу и метеорологическому состоянию воздуха в производственных помещениях. Если поступающие в помещение теплота и влага 
вызывают отклонения состояния воздуха от гигиенических нормативов, то их называют соответственно избыточной теплотой и  
избыточной влагой и рассматривают как вредные факторы производственной среды. Аналогично, если концентрация выделяющихся в помещении веществ превышает норму, то их рассматривают как вредные выделения. 
Поддержание во всем помещении или в отдельных его зонах 
состава и метеорологического состояния воздушной среды, удовлетворяющих гигиеническим нормативам, обеспечивается вентиляцией, представляющей собой процесс удаления из помещения 
загрязненного воздуха и подачи в него свежего. В зависимости от 
способа подачи воздуха в помещение различают естественную 
вентиляцию, при которой перемещение воздуха происходит вследствие наличия ветрового напора или разности температур воздуха 
в помещении и наружного воздуха, и механическую вентиляцию, в 
которой для перемещения воздуха используются специальные 
механические побудители, как правило, вентиляторы. 
В данном  пособии рассмотрены только системы механической 
вентиляции.  

Основное внимание  уделяется  методикам расчета систем вентиляции.  При этом авторы стремились по возможности охватить 
весь комплекс вопросов,  связанных с проведением таких расчетов: нормирование параметров микроклимата и содержания вредных веществ, количественная оценка интенсивности вредных выделений, определение необходимого воздухообмена и потерь 
давления в вентиляционной сети, подбор вентилятора  с требуемыми характеристиками. В приложениях приведены необходимые 
справочные данные. 
Пособие написано на основе материала лекций, которые  авторы читают в МГТУ им. Н.Э. Баумана на кафедре «Экология и промышленная безопасность». 
Авторы выражают благодарность доцентам кафедры В.П. Сивкову, С.Г. Смирнову, И.И. Старостину за ценные советы и замечания, позволившие улучшить содержание пособия и изложение 
материала. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ 

1.1. Физические свойства воздуха 

Состав воздуха.  Атмосферный воздух  представляет собой 
смесь различных газов практически постоянного состава   и водяного пара.  Объемная концентрация основных компонентов газовой смеси, называемой сухим воздухом, у поверхности Земли принимает  следующие значения: азот − 78,08 %, кислород −  20,95 %, 
аргон − 0,93 %, углекислый газ − 0,03 %. Смесь сухого воздуха и 
водяного пара называют влажным воздухом.  Объемная концентрация паров воды во влажном воздухе может изменяться от 0 до  
4 %, т. е. его состав является переменным. 
Состояние воздуха характеризуется следующими параметрами: 
температурой, давлением, плотностью, влажностью, влагосодержанием, удельной теплоемкостью и энтальпией. 
В системах вентиляции давление воздуха близко к атмосферному, поэтому компоненты паровоздушной смеси, в том числе и 
водяной пар,  могут быть приближенно отнесены к идеальным газам, что позволяет применять к ним законы термодинамики, справедливые для таких газов. 
Температура воздуха. Измеряется по абсолютной термодинамической шкале температур в кельвинах (T, К) или по международной практической шкале  в градусах Цельсия (t, ºС). Соотношение между значениями температуры, определяемыми по этим 
шкалам, следующее: 

T, К  = t, ºС + 273,15. 

При этом, очевидно,  разность значений температур не зависит 
от выбора шкалы, т. е. ∆T, К  = ∆t, ºС. 
Давление. Измеряется в паскалях (Па). В соответствии с законом Дальтона давление влажного воздуха, равное барометрическому (атмосферному) давлению pб, выражается через сумму парциальных давлений сухого воздуха pс и водяного пара pп:  

 
pб = pс + pп.  
(1.1) 

Плотность воздуха. Масса влажного воздуха mвл, занимающего объем V, складывается из массы сухого воздуха mс и массы водяного пара mп. Поэтому плотность влажного воздуха ρвл, кг/м3, 
определяемая как отношение массы паровоздушной смеси к ее 
объему V, равна 

 
ρвл = mвл /V = mс /V + mп /V = ρс + ρп.    
           (1.2) 

Значения плотностей сухого воздуха ρс и водяного пара ρп в 
паровоздушной смеси связаны с их парциальными давлениями pс 
и pп уравнением состояния 

 
ρс(п) = pс(п) Mс(п)/(RT ),  
                   (1.3) 

где Mс(п) ― молярная масса сухого воздуха (с) или водяного пара 
(п), при этом Mс = 29 кг/кмоль; Mп = 18 кг/кмоль; R ― универсальная газовая постоянная, R = 8314 Дж/(кмоль⋅ К). 
Величина 

 
Rс(п) = R/Mс(п)  
      (1.4) 

является удельной газовой постоянной сухого воздуха (с) или водяного пара (п). Подстановка в (1.4) значений R и Mс(п) приводит к 
следующим значениям удельных газовых постоянных: Rс =  
= 287 Дж/(кг⋅ К); Rп = 461 Дж/(кг⋅ К).  
Из формул (1.2) – (1.4) получим следующее равенство: 

 
ρвл = ρс + ρп = ( pб − pп)/(RсT ) + pп/(RпT ). 
(1.5) 

При отсутствии в воздухе водяных паров плотность воздуха  

 
ρв =ρc = pб /(RсT ). 
(1.6) 

Для нормального давления 101,3 кПа она может быть записана в 
виде, выражающем зависимость плотности воздуха от температуры: 

 
ρв = 353 /(273,15 + t). 
(1.7)         

При наличии водяных паров плотность сухого воздуха в паровоздушной смеси снижается, так как в этом случае согласно (1.5) и 
(1.6)  
 
ρс = ρв(1− pп /pб). 
(1.8) 

Плотность влажного воздуха ρвл также оказывается меньше 
плотности ρв:  

 
ρвл = ρв[1− (1− Rc/Rп) (pп/pб)] = ρв[1− 0,377(pп /pб)]. 
 (1.9) 

Кроме того, как показывает сравнение (1.8) и (1.9), справедливо 
соотношение ρв ≥ ρвл ≥ ρс. В рабочем диапазоне температур и 
влажностей воздуха, характерном для работы систем вентиляции с 
погрешностью, не превышающей 5 %, можно положить 

 
ρвл = ρс = ρв. 
(1.10) 

Таким образом, в первом приближении плотность влажного 
воздуха также можно определять по формуле (1.7).  
Влажность воздуха. Различают абсолютную и относительную 
влажность воздуха. Абсолютная влажность характеризует массу 
водяного пара, содержащегося в единице объема воздуха. Численно она равна плотности водяного пара ρп. 
Плотность водяного пара и создаваемое им парциальное давление могут изменяться, возрастая только до некоторого предела, 
зависящего от температуры и определяющего состояние насыщенного пара. Этому состоянию соответствует максимальная для данной температуры влажность воздуха и соответствующая этой 
влажности плотность водяного пара ρпнв. Отношение абсолютной 
влажности к максимальной, выраженное в процентах, называется 
относительной влажностью и обозначается φ. В соответствии с 
(1.4) относительная влажность может быть выражена также через 
отношение парциального давления водяного пара pп, содержащегося в воздухе, к парциальному давлению насыщенного водяного 
пара pпнв. Таким образом,  

 
φ = (ρп/ρпнв)⋅ 100 % = ( pп/pпнв)⋅ 100 %.  
(1.11) 
Парциальное давление pпнв зависит от температуры насыщенного 
влажного воздуха tв, ºС, и может быть определено по формуле 
Фильнея  

pпнв =
в
в
2,125 (156 8,12
)/(236
)
10
,
t
t
+
+
+
 
(1.12) 

из которой следует, что с уменьшением температуры tв давление 
pпнв также снижается. 
Точка росы. Точкой росы называют температуру, до которой 
необходимо охладить влажный воздух при постоянном давлении, 
чтобы он стал насыщенным. При этом парциальные давления pп и 
pпнв становятся одинаковыми, а относительная влажность достигает 100 %. При дальнейшем охлаждении воздуха начинается конденсация части водяного пара, содержащегося во влажном воздухе 
(образование росы). 
Влагосодержание. Поскольку в процессах нагрева и охлаждения влажного воздуха количество сухого воздуха не меняется, 
целесообразно определять влагосодержание воздуха d, г/кг, как 
отношение массы водяного пара mп, г, во влажном воздухе к массе 
сухой части влажного воздуха mc, кг: 

 
d = mп /mc = 103ρп /ρc.  
(1.13) 

Строго говоря, для составления в дальнейшем уравнения баланса влаги в помещении влагосодержание воздуха следует определять через соотношение ρп/ρвл. Однако в соответствии с (1.10) 
это различие несущественно. Тогда, используя формулы (1.1), 
(1.4), получим 

 
d = 103(Rc /Rп) (pп /pc) = 623pп /( pб − pп).  
(1.14) 

 Выражая с помощью (1.11) парциальное давление водяного 
пара через относительную влажность, будем иметь  

 
d = 6,23φpпнв /(pб − 0,01φpпнв).  
(1.15) 

Удельная теплоемкость воздуха, cp, кДж/(кг⋅ ºС), численно 
равна количеству теплоты, требуемой для нагревания одного  
килограмма воздуха на один градус Цельсия при постоянном давлении. Для сухого воздуха удельная теплоемкость cpс =  
= 1,005 кДж/(кг⋅ ºС). 
Энтальпия (теплосодержание) воздуха. При расчетах вентиляции энтальпию влажного воздуха, как и его влагосодержание, 

обычно относят к 1 кг сухого воздуха, т. е. рассматривают удельную энтальпию Iвл, кДж/кг, которая, в свою очередь, определяется 
через удельные энтальпии сухого воздуха Iс и водяного пара Iп. 
При этом 
 
Iс  = cpс
 t;   Iп  = r + cpп t,  
(1.16) 

где t − температура воздуха, ºС; cpп − удельная изобарная теплоемкость водяного пара, cpп = 1,89 кДж/(кг⋅ ºС); r − удельная теплота 
парообразования; при малых давлениях и температурах (t < 30 ºС) 
r ≈ 2500 кДж/кг.  
Для влажного воздуха с влагосодержанием d г/кг энтальпия 
равна сумме энтальпий 1 кг сухого воздуха Iс и d г водяного пара, 
т. е. 

 
3
вл
c
п
(
)
10
.
p
p
I
c
t
r
c
t d
−
=
+
+
⋅
 
(1.17) 

Если представить (1.17) в виде 

 
3
вл
вл
10
,
p
I
c
t
rd
−
=
+
⋅
  
(1.18) 

то первое слагаемое в формуле (1.18) определяет явную теплоту, а 
второе − скрытую теплоту парообразования. При этом cpвл = cpс + 
+ cpп d⋅ 10–3 представляет собой удельную теплоемкость влажного 
воздуха. Таким образом, получим  

 
Iвл = (1,005 + 1,89d⋅ 10–3) t  + 2500d⋅ 10–3.  
(1.19) 

Обычно 
для 
параметров 
воздуха 
системы 
вентиляции  
без большой погрешности можно положить cpвл = cpс ≈  cp =  
= 1 кДж/(кг⋅ ºС) и записать формулу (1.18) в виде  

 
Iвл ≈ cpt  + rd⋅ 10–3 = t  + 2500d⋅ 10–3.  
(1.20) 

I–d-диаграмма. Расчеты систем вентиляции помещений с источниками теплоты и влаги рекомендуется проводить графически 
с помощью I–d-диаграммы, отражающей зависимость между основными параметрами воздуха при заданном барометрическом 
давлении pб. I–d-диаграмма влажного воздуха, построенная для 
барометрического давления 99,3 кПа, показана на рис. 1.1.  

Рис. 1.1. I–d-диаграмма влажного воздуха