Расчёт естественной вентиляции: высота и сечение канала

Естественная вентиляция — самая распространённая и самая недооценённая система в жилье. Она не требует электричества, не шумит и не ломается, но у неё есть жёсткое ограничение: давление, которое её двигает, измеряется десятками паскалей. Для сравнения, вентилятор от вытяжки создаёт сотни паскалей.

Из этого ограничения следуют все практические выводы: канал должен быть высоким, сечение — не завышенным, оголовок — выше кровли, а приток — организованным. Канал Ø140 мм высотой 6 м при −20 °С снаружи даёт около 83 м³/ч, и почти весь этот расход обеспечивает разница плотностей воздуха всего в 0,19 кг/м³.

Дальше — физика тяги с формулами, таблицы плотности воздуха и размеров каналов, требования к высоте и выводу выше кровли, разбор летнего отказа системы и пример расчёта канала для кухни.

Как работает естественная тяга

Канал работает как гравитационный насос. Холодный наружный воздух тяжелее тёплого внутреннего, и столб воздуха в канале оказывается легче столба наружного воздуха той же высоты. Разница весов создаёт разрежение у вытяжной решётки, и воздух из помещения уходит вверх.

Обратите внимание, что в формуле стоит высота канала, а не высота здания, и что разность плотностей стоит в первой степени. Увеличить тягу вдвое можно либо удвоив высоту, либо удвоив разность температур — но второе от нас не зависит.

Последние строки таблицы объясняют всё про лето. При температуре внутри +20 °С и снаружи +20 °С давление равно нулю: канал стоит. Как только на улице становится теплее, чем в квартире, знак меняется — канал начинает работать на приток и затягивает в квартиру воздух с запахами соседей.

Расчёт канала: скорость, сечение, расход

Расход воздуха через канал определяется площадью сечения и скоростью потока:

Скорость не задаётся произвольно: она получается из баланса между располагаемым давлением и сопротивлением канала, а сопротивление складывается из трения по длине и местных сопротивлений. Из баланса давлений скорость равна v = √(2 · ΔP / (ζ · ρв)), а сами потери считаются как ΔPпот = ζ · ρв · v²/2, где ζ — суммарный коэффициент сопротивления канала; ΔPпот — потери давления, Па; ρ_в — плотность внутреннего воздуха, кг/м³.

Для канала с вытяжной решёткой и выходом в атмосферу ζ = λ · h/d + 1,8 + 1,0, где λ — коэффициент трения (0,02 для пластика, 0,045 для кирпича); d — диаметр или эквивалентный диаметр канала, м; 1,8 — вход с решёткой; 1,0 — выход в атмосферу.

Проверка работоспособности простая: если расчётная скорость получается ниже 0,5 м/с или потери давления при нормируемом расходе превышают располагаемое давление, канал работать не будет. Лечится это высотой, уменьшением сечения (скорость растёт, но и сопротивление тоже) или дефлектором.

Ниже — калькулятор, который считает всё это сразу. Подготовьте высоту канала от решётки до устья, сечение, температуры внутреннего и наружного воздуха, материал канала и наличие дефлектора.

Калькулятор показывает расход, скорость, потери давления и делает вывод: хватает давления или нет. Если потери при нормируемой скорости 1,5 м/с превышают располагаемое давление, он предупреждает — тяга будет недостаточной.

Размеры каналов и требования к высоте

Минимальные размеры вытяжных каналов заданы СП 54.13330.2022. Практические значения, которые применяют в квартирных системах:

Круглый канал при равной площади всегда даёт меньшее сопротивление: у него меньше периметр трения, а значит и потери. Поэтому при гильзовании кирпичного канала ставят круглую вставку — она одновременно выравнивает сечение по всей высоте и убирает шероховатость.

Требования к высоте и оголовку:

Вывод выше кровли подчиняется правилу «10 градусов»: устье не должно попадать в зону ветрового подпора за препятствием.

Канал, выведенный в зону подпора, не просто теряет тягу — он начинает работать на приток. Поэтому оголовок поднимают, а не «прячут» за парапет или скат.

Пример: канал Ø140 мм высотой 6 м

Считаем кирпичный канал Ø140 мм высотой 6 м с дефлектором. Внутри +20 °С, снаружи −20 °С, расчётная скорость ветра 3 м/с.

Канал даёт 83 м³/ч при норме для кухни 60 м³/ч — запас есть. Но обратите внимание на строку со скоростью: расчётная скорость 2,19 м/с выше нормируемой, поэтому её ограничивают 1,5 м/с, а избыток давления остаётся неиспользованным. Если бы тот же канал был Ø100 мм, его сопротивление выросло бы, и расход упал до 42 м³/ч — меньше нормы для кухни.

Теперь то же сечение, но в тёплый день: снаружи +25 °С, внутри +22 °С. Плотности равны 1,185 и 1,197 кг/м³, гравитационное давление получается −0,7 Па, и остаётся только прибавка дефлектора — итого 1,4 Па. Скорость падает до 0,71 м/с, расход — до 39 м³/ч. Для кухни этого мало, и это ещё при ветре 3 м/с; в штиль канал встанет совсем.

Почему летом естественная вентиляция не работает

Причина — в первой степени разности плотностей. Посмотрим на канал Ø140 мм высотой 6 м в течение года: внутри держится +20 °С, снаружи температура меняется.

Во всех строках до −10 °С канал упирается в ограничение 1,5 м/с: тяги с избытком, и расход задаёт уже не канал, а сопротивление вытяжной решётки. Норму для кухни 60 м³/ч канал с дефлектором держит до +15 °С снаружи, без дефлектора — только до +7 °С. Дальше расход падает вдвое и больше, а при +20 °С без дефлектора канал останавливается совсем.

Отсюда практический вывод: в средней полосе естественная вентиляция уверенно работает с октября по апрель, в мае и сентябре держится на дефлекторе, а в жару не работает. В домах с круглогодичным проживанием и в жарком климате естественную систему либо дублируют механической, либо сразу проектируют приточно-вытяжную установку. Подробнее про это — в разделе про приточную вентиляцию.

Ветер, дефлекторы и обратная тяга

Ветер действует на канал двояко. С наветренной стороны здания создаётся подпор, с подветренной — разрежение. Оголовок канала, попавший в зону подпора, теряет тягу и может опрокинуться.

Дефлектор превращает ветер в помощника: поток, обтекая его корпус, создаёт разрежение над устьем. Прибавка составляет 0,3–0,8 скоростного напора ветра:

Обратная тяга — не редкость и в высотных домах, где каналы объединены в общую шахту. Причина — не сам по себе ветер, а отсутствие притока: канал с малым расходом легко разворачивается соседним каналом с большим расходом. Обратный клапан на вытяжной решётке проблему маскирует: он не даёт воздуху идти в квартиру, но не возвращает тягу.

Проверить направление движения воздуха можно тремя способами.

Приток: без него вытяжка не работает

Естественная вытяжка удаляет ровно столько воздуха, сколько его поступило. В домах старой постройки приток шёл через неплотности деревянных окон, и баланс получался сам собой: 100–150 м³/ч при закрытых окнах.

Современное окно с двухкамерным стеклопакетом и двумя контурами уплотнения пропускает единицы кубометров в час. Канал при этом остаётся тем же, а притока нет — расход падает до нуля, а при включении кухонной вытяжки направление движения в канале меняется. Поэтому в квартирах с герметичными окнами приток организуют:

• стеновыми приточными клапанами — 30–60 м³/ч на клапан, устанавливаются в наружной стене с шумоглушением и фильтром;
• оконными клапанами-щелями — компактнее, но с меньшим расходом и без фильтрации;
• приточной установкой с фильтром и калорифером — 100–300 м³/ч, требует места и электричества;
• микропроветриванием — работает, но зимой даёт холодный поток по полу и переохлаждение помещения.

Приток должен компенсировать вытяжку, а не быть «хоть каким-нибудь». Сколько именно нужно подать, считается по воздухообмену помещений; нагретый приточный воздух добавляет нагрузку к системе отопления, и её учитывают в расчёте теплопотерь. Если канал и приток в порядке, но тяги всё равно не хватает, следующий шаг — механическая вытяжка с рекуперацией тепла, а вывод канала выше кровли считается так же, как для дымохода: там те же требования к оголовку и та же борьба с ветровым подпором.

Частые ошибки

Завышенное сечение канала. Кирпичная шахта 270×270 мм на квартиру: чтобы прогнать через неё нормируемые для кухни 60 м³/ч, нужна скорость 0,23 м/с — ниже устойчивого минимума 0,5 м/с. Такой канал держит тягу на морозе и опрокидывается от ветра в тёплые дни. Сечение подбирают под расход: для кухни это 140×140 мм или Ø150 мм.

Заужение или гильзование без проверки. Вставка Ø100 мм в кирпичный канал 140×140 мм уменьшает площадь в 2,5 раза. Расход падает примерно вдвое — с 83 до 42 м³/ч, — а скорость при этом упирается в предел 1,5 м/с, и канал начинает шуметь.

Горизонтальные участки и «лежачие» каналы. На каждый метр горизонтального участка теряется давление, а в нижней точке собирается конденсат. В естественных системах таких участков быть не должно.

Малый зазор между оголовком и кровлей. Канал, выведенный вровень со скатом на расстоянии 2 м от конька, попадает в зону подпора и в ветреную погоду опрокидывается вместе с запахами.

Каналы короче 5 м. В частном доме соблазн вывести канал прямо через стену: получается 2–3 м высоты. Тяга при этом 5–6 Па, что даёт 30–40 м³/ч вместо нормируемых 60.

Естественная вытяжка без притока. Самый частый случай: каналы в порядке, но окна герметичны. Система не удаляет воздух, а после установки кухонной вытяжки начинает работать в обратную сторону.

Частые вопросы

Почему естественная вентиляция не работает летом?

Тяга держится на разнице плотностей наружного и внутреннего воздуха, а она зависит от разницы температур. При +25 °С снаружи и +22 °С в квартире плотности почти равны, гравитационное давление падает до нуля и канал перестаёт удалять воздух.

Какая высота вентиляционного канала считается достаточной?

Не менее 5 м от вытяжной решётки до устья канала. Короткий канал теряет тягу первым: Ø140 мм высотой 3 м при 0 °С снаружи даёт около 59 м³/ч против 75 м³/ч у шестиметрового, а норму для кухни 60 м³/ч перестаёт выдавать уже при небольшом потеплении.

Какой диаметр канала нужен для кухни и санузла?

Для кухни минимальное сечение — 140×140 мм или круглый канал Ø150 мм, для санузла и ванной — 140×140 мм или Ø100 мм. Круглый канал при той же площади даёт меньшее сопротивление, поэтому в гильзованных системах он предпочтительнее.

Помогает ли дефлектор на оголовке канала?

Дефлектор создаёт дополнительное разрежение за счёт ветра: при скорости ветра 3 м/с это 2–5 Па, то есть 20–40 % от гравитационного давления канала высотой 6 м. В безветренную погоду он не помогает и не заменяет высоту канала.

Что делать, если тяга опрокидывается?

Проверить приток: при герметичных окнах каналу нечем работать. Затем проверить высоту и оголовок, поставить дефлектор, уменьшить сечение канала или перейти на механическую вытяжку с обратным клапаном.