CC BY
83
свойствами // Проблемы управления. - 2008-№ 6.-С. 67-74.
4. Гарькина И. А., Данилов А. М., Королев Е. В. Системный подход к разработке материалов: модификация метода ПАТТЕРН // Вестник МГСУ.-2011.- № 2, Т.2. - С.400-405.
5. Гарькина И. А., Данилов А. М., Смирнов В.А. Флокуляция в дисперсных системах // Системы управления и информационные технологии. -2008. - № 2.3(32). - С.344-347.
6. Васильев С. Н., Опарин Г. А., Феоктистов А. Г. Интеллектный подход к автоматизации моделирования сложных управляемых систем // Труды Международной конференции RDAMM-2001. Новосибирск: Том 6. Ч.2. Спец. выпуск. С.159-168.
APPLICATIONS OF THE THEORY OF SYSTEMS TO MANAGE THE STRUCTURES AND PROPERTIES OF THE COMPOSITE
I.A. Garkina, A.M. Danilov
The algorithm of the synthesis of composite materials is derived on the base of representation of composites as complex systems with modular structure. The adjustment of the PATTERN method for the algorithm is performed during design (which is based on system approach) of the radiation-protective composites. By computer simulation used Saturn-technology. The concept development of materials with special properties based on the study of kinetic processes of structure formation and basic physical and mechanical characteristics of the material is proposed.
Keywords: composite materials, structure and properties, complex systems, modeling.
Bibliographic list
1. Garkina I. A. Danilov A. M., Korolev E. V. Building materials as a system // Building Materials.-2006. - № 7. - P.55-58
2. Garkina I. A., Danilov A. M., Korolev E. V. Cognitive modeling of composite materials for the synthesis of complex systems like // News of higher
educational institutions. Construction - 2009. - № 3/4. - P.30-37.
3. Garkina I. A., Danilov A. M. Quality control materials with special properties // Control Sciences -2008. - № 6. - P. 67-74.
4. Garkina I. A. Danilov A. M., Korolev E. V. A systematic approach to the development of materials: modification of a PATTERN //. 2011. Vestnik MGSU, № 2, Vol. 2. P.400-405.
5. Garkina I. A., Danilov A. M., Smirnov V. A. Floculation in disperse systems // Control Systems and Information Technology. 2008. № 2.3 (32). P.344-347.
6. Vasiliev S. N., Oparin G. A., Feoktistov A. G. Intelligent approach to automated modeling of complex control systems // Proceedings of the International Conference RDAMM-2001. Novosibirsk: Vol. 6. Part 2. Spec. release. P.159-168.
Гарькина Ирина Александровна - доктор технических наук, доцент, профессор кафедры математики и математического моделирования ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства». Основные направления научной деятельности: синтез композиционных материалов, системный анализ, математическое моделирование Общее количество опубликованных работ: 270 научных и учебно-методических работ.e-mail: fmatem@pguas. ru
Данилов Александр Максимович - доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой математики и математического моделирования ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства». Основные направления научной деятельности: управление в сложных технических системах, системный анализ, математическое
моделирование, синтез композиционных материалов. Общее количество опубликованных работ: более 350 научных работ. e-mail: [email protected]
УДК 697.92: 628.83
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВОЗДУХА В ГИБРИДНЫХ СИСТЕМАХ ВЕНТИЛЯЦИИ ЖИЛЫХ ЗДАНИЙ
А. Д. Кривошеин, И. В. Андреев
Аннотация. Рассмотрены особенности распределения перепадов давления и расходов воздуха в системах вентиляции с централизованным механическим удалением и децентрализованным притоком воздуха. Показано влияние на воздухообмен помещений ряда внешних и внутренних факторов.
Ключевые слова: вентиляция, жилые здания, аэродинамический расчет, приточные устройства.
Введение
Обеспечение требуемого воздухообмена является одной из важнейших задач при проектировании инженерного оборудования зданий.
Большинство систем вентиляции жилых многоквартирных зданий до последнего времени выполнялись (и продолжают выполняться) с естественным побуждением движения воздуха. Работа таких систем характеризуется зависимостью от тепловых и ветровых перепадов давлений,
неустойчивостью при ограничении притока воздуха, невозможностью обеспечения требуемого воздухообмена в течение годового цикла эксплуатации здания.
В качестве альтернативных систем вентиляции в последние годы все чаще рассматриваются, так называемые, гибридные (комбинированные) системы с централизованным механическим удалением и децентрализованным притоком воздуха [1,2,3]. Удаление воздуха в таких системах обеспечивается посредством вытяжных вентиляторов, устанавливаемых на оголовках вентиляционных каналов (вентиляционных блоков, вентшахт), приток воздуха - через регулируемые приточные устройства (стеновые или оконные клапаны), устанавливаемые в наружных стенах или оконных блоках. Регулирование
воздухообмена предусматривается как за счет изменения аэродинамического сопротивления приточных устройств (регулирование площади притока), так и за счет частотного регулирования вытяжных вентиляторов.
Основной особенностью расчета и проектирования гибридных систем является необходимость совместного учета перепадов давлений, создаваемых вытяжными вентиляторами, естественных перепадов,
Рис. 1. Пример составления расчетной схемы
возникающих в результате тепловых и ветровых воздействий на здание, а также возможных эксплуатационных изменений характеристик отдельных конструктивных элементов систем вентиляции.
Исследование процессов распределения воздуха в подобных системах и являлось целью данной работы.
Математическое описание задачи
В общем случае система вентиляции жилого здания с его ограждающими конструкциями, вытяжными и приточными устройствами, воздуховодами может быть представлена в виде аэродинамической сети сложной геометрической формы, включающей узлы (в качестве которых принимаются отдельные помещения, точки слияния и деления потоков воздуха) и участки (связи), характеризующие аэродинамическое сопротивление
воздуховодов, приточных клапанов, окон, дверей и пр., связывающих узлы сети между собой.
Пример составления расчетной схемы системы вентиляции трехкомнатной квартиры верхнего этажа многоэтажного здания приведен на рисунке 1. Некоторые варианты расчетных схем гибридных систем вентиляции многоэтажных зданий представлены на рисунке 2.
Движение воздуха в рассматриваемой сети описывается уравнениями вида
Рк, - Рт, = Si • Gin , (1)
где Рк, , Рт, - давление в отдельных узлах сети, Па; Gi - массовый расход воздуха по 1-му участку сети между узлами к и т, кг/ч; Si - характеристика сопротивления 1-ого участка сети, ч2-Па/кг2; п - показатель фильтрации.
Рнб-вен Рн2-вен
вентиляции трехкомнатной квартиры
X X Рвент,2
а)
б)
в)
Рис. 2. Расчетные схемы некоторых вариантов гибридных систем вентиляции: а - с вентиляторами на каждом оголовке вентиляционных каналов; б - с одним вентилятором на два оголовка вентканалов; в - с теплым чердаком
Если конструкция непосредственно
граничит с наружным воздухом, то в качестве Рк,; в уравнении (1) фигурирует давление наружного воздуха на уровне данной конструкции Рехд и давление в рассчитываемом помещении Рт,;
V 2
р = к • —ех!_ • р
2 ,
(5)
Рext, i - Рm,i = Si • ^ .
где hi - вертикальное расстояние от уровня условного нуля до центра рассматриваемой конструкции, м; д -(2) ускорение свободного падения, м /с; р^ и рп - соответственно плотность наружного и Число уравнений типа (1), (2) внутреннего воздуха, кг/м3; к -определяется по расчетной схеме системы аэродинамический коэффициент здания (для вентиляции здания и равно общему наветренной и заветренной сторон); vext -
количеству связей, сходящихся в узлах.
Наружное давление Рехи определяется
расчетная скорость ветра, м/с.
Дополнительное разрежение (давление),
гравитационной Рд, и ветровой создаваемое вентилятором Рв
составляющими
Рext,i Рд, + ;
Рд,; = ^ • д • (рext - р;п1> ;
предлагается учитывать по рабочей
(3) характеристике, принимаемой по справочным данным или по результатам испытаний
(4) вентилятора.
р
т,1
Расчет характеристик сопротивления отдельных участков сети может быть выполнен по известным формулам [4,5]: - для вентиляционных каналов
S =
+ (X трМЗКв) • I 2 • (^ • 3600)2
(6)
где - сумма коэффициентов местных
сопротивлений; Хтр -аэродинамического трения; эквивалентный диаметр
коэффициент
канала ,2.
(воздуховода), м; - площадь канала, м ; I -длина канала, м;
- для окон, входных и межкомнатных дверей
Si = ДРю/^о
1/п
(7)
где Go - удельный расход воздуха через конструкцию при перепаде давлений 10 Па, кг/(м2-ч); ДР10 - перепад давлений 10 Па; п -показатель режима фильтрации; F - площадь оконного (дверного) блока, м2;
- для приточных устройств (клапанов)
Si = ДP1o/(Go)
1/п
(8)
где Go - расход воздуха через приточное устройство, кг/ч; п - показатель режима фильтрации (принимаемые по результатам испытаний или по справочным данным).
В том случае, если характеристика сопротивления меняется при изменении перепада давлений, величина S задается (вводится в расчет) в виде функциональной или дискретной зависимости S = ^ДР).
В конечном счете, аэродинамический расчет системы вентиляции сводится к решению системы нелинейных уравнений, типа (1) - (5) с учетом зависимостей (6) - (8).
Решение уравнений реализовано в компьютерной программе S-VENT 1.0. Программа позволяет решать как прямые задачи - подбор характеристик вентиляторов и размеров вентиляционных каналов, необходимых для обеспечения требуемых расходов воздуха в помещениях квартир проектируемого здания, так и обратные задачи, связанные с прогнозированием расходов воздуха при заданных конструктивных характеристиках сети и изменении внешних и внутренних воздействий в процессе эксплуатации здания.
Результаты исследований Анализ закономерностей распределения перепадов давлений и расходов воздуха в гибридных системах вентиляции
многоэтажных зданий проведен при варьировании следующих параметров:
- аэродинамического сопротивления отдельных элементов системы;
- температуры наружного воздуха;
- компоновки вытяжных каналов и вытяжных вентиляторов;
- схем регулирования вытяжных вентиляторов.
Результаты расчетов в виде расходов воздуха в каналах-спутниках представлены на рис.3 - рис.5.
Анализ результатов расчетов позволил сделать следующие выводы:
- при равенстве температур наружного и внутреннего воздуха распределение перепадов давлений и расходов воздуха в вытяжных каналах происходит пропорционально аэродинамическим сопротивлениям участков сети; при отсутствии регулирования наибольшие расходы наблюдаются в вытяжных каналах верхних этажей; соответственно для выравнивания расходов по высоте здания необходима пусконаладочная регулировка каналов-спутников, например посредством регулируемых вытяжных решеток;
- изменение характеристик (аэродинамического сопротивления) отдельных участков сети в связи с открытием или закрытием оконных створок, регулированием приточных устройств на одном или нескольких этажах здания приводит к изменению давлений и расходов воздуха по всей сети (в том числе и в после пусконаладочной регулировки); в частности, расходы воздуха, удаляемого из квартир верхних этажей возрастают в несколько раз, расходы воздуха из квартир нижних этажей существенно снижаются;
- устранение (уменьшение) разбалансировки системы возможно за счет частотного регулирования вытяжного вентилятора (подбора вентилятора с рабочей характеристикой, позволяющей поддерживать требуемый перепад давлений на всасывающем патрубке), или применения устройств, позволяющих децентрализованно производить автоматическую регулировку расходов удаляемого воздуха из квартир (например, специальных вытяжных клапанов или вытяжных вентиляционных решеток на вытяжных каналах); следует отметить, что выравнивание перепадов давлений за счет частотного регулирования вытяжного вентилятора при открытых створках оконных блоков приводит к увеличению расхода
удаляемого воздуха (см. рис. 3 а, рис. 3 б), соответственно вытяжной вентилятор должен обеспечивать заданное давление на всасывании в очень широком диапазоне расходов воздуха;
- при понижении температуры наружного воздуха эпюры распределения перепадов давлений по высоте здания изменяются, расходы воздуха из квартир нижних этажей возрастают; при этом величина тепловых перепадов давлений может превышать рабочее давление вентилятора на всасывании; балансировка сети в данном случае возможна только лишь за счет децентрализованного авторегулирования вытяжных вентиляционных решеток или специальных вытяжных клапанов (см. рис.4);
- при выполнении систем вентиляции с двумя и более вытяжными вентиляторами (на каждом оголовке - см. рис. 2 б), возможна разбалансировка систем при изменении производительности одного из вентиляторов, вплоть до опрокидывания одной из систем с перетеканием воздуха между отдельными
а
в
квартирами (см. рис. 5.); соответственно при выполнении систем вентиляции с двумя и более вытяжными вентиляторами системы должны обязательно оснащаться
устройствами взаимной балансировки;
- в гибридных системах вентиляции с теплыми чердаками (см. рис. 2. в) значительное влияние на производительность системы оказывает герметичность конструкций теплого чердака; при разгерметизации (открытии входной двери или наличии отверстий в ограждающих конструкциях чердака) расходы удаляемого воздуха из квартир существенно снижаются;
- аналогично при любых вариантах компоновки вытяжных каналов и вытяжных вентиляторов существенное значение имеет наличие неплотностей (герметичность) соединений вытяжных каналов; в случае подсоса через неплотности (щели, стыки) вентиляционных блоков фактические расходы воздуха по участкам сети могут существенно отличаться от расчетных.
б
г
1,„, = +'20 "С; -20 "С:
1 - окнзз'акрыты, приточнщб -клзпзн^ ет'крыты
2 - открыто окно на.Э:М.-этаже; 3-сокрыто окно на: 8 и 9-мзтажах; 4 - Ё^рыто.окно
100
200
300
400 Ц,, М3/Ч
1 I 2 ^ = +20°С; 1м1= -20 °С
\ 3
\4
1 - окна закрыть клапаны открыть 2 - открыто окно приточные на 9-м этаже;
4 - открыто окно на 5^-9-м зтажах
100
200
Рис. 3. Изменение расходов в каналах-спутниках гибридной системы вентиляции при изменении характеристик сопротивления на притоке (открытии створки окна) и различных температурах наружного воздуха: а, в - при поддержании заданного перепада давлений на всасывающем патрубке вытяжного вентилятора; б, г - без авторегулирования
вытяжного вентилятора
1 % = * 20 "С; 20' "С
2 «ш =
3 4
1 - окна закрыты,приточнь
2 - открыто окно на 9-м этаже; 3 - открыто окно на 8 и 9-м этажах; 4 - открыто окно на 9-м этажах -1-!-1-
250 идйВ|
Мзй
9 8 ■ 7 ■
(К
(„1= -20 'С
1 - олне-зэкрыть^. приточные, клапаны
2 -г г^, 0:М этаже
3■'1 л^-ЭД ^-1, ■ ■ ^ ■; и'^-г/лт.Ч'):.^;
-1-1-1-
250 и,,М3/ч
Рис. 4. Изменение расходов в каналах-спутниках гибридной системы вентиляции при наличии децентрализованного авторегулирования на входе в вытяжные каналы: а - при температуре наружного воздуха +20 оС, б - при температуре наружного воздуха минус 20 оС
Рис. 5. Изменение расходов в каналах-спутниках гибридной системы с вентиляторами, установленными на каждом оголовке вентиляционных каналов при дебалансе вытяжных вентиляторов в размере 20, 30 и 50%: а - при температуре наружного воздуха +20 оС; б - при температуре наружного воздуха минус 20 оС
Заключение
Гибридные системы вентиляции жилых многоэтажных зданий являются сложными, динамически изменяемыми системами. Их эксплуатационная эффективность
существенно зависит от конструктивного решения, характеристик отдельных элементов систем, внешних и внутренних воздействий, наличия элементов
авторегулирования и балансировки.
Традиционный подход к проектированию подобных систем на расчетные параметры наружного и внутреннего воздуха при заданных расходах и характеристиках участков аэродинамической сети является недостаточным и не обеспечивает правильного подбора конструктивных элементов. Как следствие - возможная неустойчивая работа систем на стадии
эксплуатации, существенные отклонения от проектных режимов.
Проектирование гибридных систем должно включать подбор вытяжных вентиляторов с учетом частотного регулирования в достаточно широких пределах расходов воздуха при обязательном применении технических решений по децентрализованному авторегулированию на притоке и на вытяжке.
Статья подготовлена по результатам исследований, выполненных в рамках гранта РФФИ 12-08-98054-р_сибирь_а
Библиографический список
1. Малявина Е. Г., Бирюков С. В., Дианов С. Н. Воздушный режим высотного жилого здания в течение года. Часть 2. Воздушный режим при механической вытяжной вентиляции// АВОК, 2005. - №1.
2. Бобровицкий И. И., Шилкин Н. В. Гибридная вентиляция в многоэтажных жилых зданиях// АВОК. - 2010 - №3.
3. Технические рекомендации по организации воздухообмена в квартирах жилых зданий. Р Нп «АВОК» 5.2-2012. - М., 2012. - 24 с.
4. Гинзбург Э. Я. Расчет отопительно-вентиляционных систем с помощью ЭВМ. - М., Стройидат, 1979. - 184 с.
5. Кривошеин А. Д. Прогнозирование работы систем естественной вентиляции жилых зданий с организованным притоком воздуха// Известия Вузов. Строительство. - 2011. - №4 - С. 43 - 52.
RESEARCH OF PROCESSES OF DISTRIBUTION
OF AIR IN HYBRID SYSTEMS VENTILATIONS OF RESIDENTIAL BUILDINGS
A. D. Krivoshein, I. V. Andreev
Features of distribution of differences of pressure and air expenses in ventilation systems with the centralized mechanical removal of air and the decentralized inflow are considered. Influence on air exchange of rooms of a number of external and internal factors is shown.
Keywords: ventilation, residential buildings, aerodynamic calculation, air handling unit.
Bibliographic list
1. Malyavina E. G., Biryukov, S. V., Dianov S. N. Air regime of a high-rise residential building for a year.
Part 2. Air mode for mechanical ventilation.//AVOK, 2005. - №1.
2. Bobrovitsky I. I., Shilkin N. V., Hybrid ventilation in multi-storey residential buildings / / AVOK. - 2010, № 3.
3. Technical recommendations for the organization of air in the apartments of residential buildings. P NP "AVOK" 5.2-2012. - M., 2012. - 24 p.
4. Ginsburg E. Ya. Calculation of heating and ventilation systems with a computer. - M., Stroyi-date, 1979. - 184 p.
5. Krivoshein A. D. Prediction of natural ventilation of residential buildings with organized air intake / / Math. Universities. Building. - 2011. - № 4. -P.43 - 52.
Кривошеин Александр Дмитриевич -кандидат технических наук, доцент,
заведующий кафедрой «Городское
строительство и хозяйство» Сибирской государственной автомобильно-дорожной
академии. Основное направление научных исследований - энергосбережение в зданиях, вентиляция. Общее количество публикаций -103. Адрес эл.почты: [email protected]
Андреев Игорь Валентинович - аспирант, Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. Основное направление научных исследований - вентиляция зданий.Общее количество публикаций - 2. Адрес эл.почты: [email protected]
УДК 69.07 - 69.003.13
ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО ПРИМЕНЕНИЮ КОМПОЗИТНОЙ АРМАТУРЫ
В КАРКАСАХ ЗДАНИЙ
А. Д. Рахмонов, Н. П. Соловьев
Аннотация. В статье представлены предложения по комбинированному армированию элементов монолитных и сборно-монолитных каркасов с рациональным использованием композитной и стальной арматуры. По результатам технико-экономического сравнения дано обоснование целесообразности применения композитной арматуры.
Ключевые слова: композитная арматура, технико-экономическое обоснование, комбинированное армирование, неразрезные балки монолитных каркасов.
Введение
В современном строительстве, наряду с традиционной стальной арматурой, растет применение композитной арматуры.
Ежегодно увеличивающийся темп роста объемов производства композитный арматуры свидетельствует о том, что российский рынок по этому направлению является динамично развивающимся. По оценкам ResearchTechart [1] в 2008 году
объем российского рынка композитной арматуры в стоимостном выражении вырос на 14 % по сравнению с аналогичным показателем предшествующего года. В следующем году под влиянием кризиса строительной отрасли рост рынка сократился и составил по итогам 2009 года 8,6 %.В 2010 году, ввиду начала выхода из кризиса отрасли и оживления платежеспособного спроса потребителей, ориентированных на
