CC BY
68
Интернет-журнал «Науковедение» ISSN 2223-5167 http ://naukovedenie.ru/ Том 7, №4 (2015) http ://naukovedenie. ru/index.php?p=vol7-4 URL статьи: http://naukovedenie.ru/PDF/128TVN415.pdf DOI: 10.15862/128TVN415 (http://dx.doi.org/10.15862/128TVN415)
УДК 697.1
Кубенин Александр Сергеевич
ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет»
Россия, Москва1 Научный сотрудник ФГБОУ ВПО «НИИ механики МГУ им. М.В. Ломоносова»
Россия, Москва2 Инженер E-mail: [email protected]
Исследование влияние направления ветра на процессы инфильтрации воздуха через окна здания
1 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26
2 119192, г. Москва, Мичуринский проспект, д. 1
Аннотация. Рассмотрено исследование влияния направления ветра на воздушный режим модельного здания, в частности на картину распределения инфильтрационных расходов по окнам здания. Для целей исследования на языке программирования Visual Basic for application, встроенного в MS Excel, была написана программа, решающая систему уравнений, которые описывают воздушный режим здания. Также для целей исследования была проведена серия численных расчетов в инженерном пакете гидрогазодинамики STAR-CCM+ обтекания модельного здания для определения ветрового давления при рассматриваемом наборе направлений ветра. В статье представлены данные расчетов по авторской программе с заданием ветрового давления, которое было получено при моделировании в пакете STAR-CCM+, для нескольких направлений ветра. Также представлены для нескольких направлений расчеты по программе в случае традиционного способа назначения ветрового давления с использованием справочных данных по аэродинамическому коэффициенту давления. В случае назначения ветрового давления согласно расчетам в STAR-CCM+ было просчитано 24 направления ветра, в случае расчетов по программе с заданием аэродинамического коэффициента давления - 4 направления. По всем направлениям каждого из двух случаев назначения ветрового давления по программе расчета воздушного режима здания были определены максимумы инфильтрационных расходов. Таким образом в статье на примере модельного здания представлена методика определения максимальных инфильтрационных расходов по окнам здания при обходе по установленному количеству направлений ветра.
Ключевые слова: инфильтрация воздуха; воздухопроницаемость; сопротивление воздухопроницанию; инфильтрационные потери тепла; воздушный режим здания; ветровое давление; светопрозрачные конструкции; аэродинамический коэффициента давления; направление ветра; численное моделирование; вычислительная гидродинамика; модели турбулентности.
Ссылка для цитирования этой статьи:
Кубенин А.С. Исследование влияние направления ветра на процессы инфильтрации воздуха через окна здания // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Том 7, №4 (2015) http://naukovedenie.ru/PDF/128TVN415.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ. DOI: 10.15862/128TVN415
Введение
Наиболее точными методами определения инфильтрационных потерь на сегодняшний день являются автоматизированные методы. В этом случае для здания в целом при помощи программы на ЭВМ решается система гидравлических соотношений, которые с определенной степенью приближения описывают воздушный режим здания (ВРЗ). Примеров программной реализации данных методов не мало [1-6]. В этих работах отмечалось влияние на воздушный режим здания скорости и направления ветра. Исторически сложилось, что принято назначать для задач ВРЗ в качестве граничного условия на фасадах здания распределение ветрового давления, восстановленного по каким-либо обобщенным данным по распределению аэродинамического коэффициента давления, имеющимся в нормативных или научных источниках. Под восстановлением понимается то, что обычно распределение аэродинамического коэффициента давления получается нормированием ветрового давления, имеющегося на здании при обтекании здания ветром, на скоростной напор данного ветрового потока, и восстановление — это операция обратная нормированию.
Справочные данные по аэродинамическому коэффициенту давления, рассматриваемые в работах [1-6], имеют ряд ограничений и допущений:
1. они предназначены для прямоугольных в плане зданий;
2. они предназначены только для направлений ветра, каждое из которых параллельно хотя бы одной из сторон прямоугольного в плане здания, т.е. не более 4-х направлений;
3. не учитывают изменение давления вдоль длины фасада - назначается постоянный коэффициент на всю ширину фасада, допускается лишь градация коэффициента давления по высоте;
4. универсальны и не зависят от задаваемого закона изменения скорости ветра по высоте, а также от размеров здания, на которые распространяются.
Допущение 4 является базисным для использования подхода с аэродинамическими коэффициентами, иначе бы ветровое давление всегда определялось бы в частном порядке путем продувок в аэродинамических трубах и или средствами численного моделирования.
В приложении 10 СНиП 2.04.05-91 «Отопление, вентиляция и кондиционирование», посвященному определению расхода теплоты на нагревание инфильтрующегося наружного воздуха через ограждающие конструкции помещений, имеется примечание «максимальный расход теплоты на нагревание наружного воздуха следует учитывать для каждого помещения при наиболее неблагоприятном для него направлении ветра. При расчете тепловой нагрузки здания с автоматическим регулированием расход теплоты на инфильтрацию следует принимать при наиболее неблагоприятном направлении ветра для всего здания».
Расход теплоты напрямую зависит от расхода инфильтрующегося воздуха, поэтому данное требование СНиП 2.04.05-91 справедливо учитывать и вопросах определения инфильтрационных расходов через окна здания. В самом СНиП 2.04.05-91 изложен способ определения расхода теплоты на нагрев инфильтрующегося наружного воздуха через ограждающие конструкции помещений, который использует данные по распределению аэродинамического коэффициента давления, аналогично, как в работах [1-6]. Поэтому требование учитывать максимальный расход теплоты при наиболее неблагоприятном направлении ветра для ограждающих конструкций помещения (окон) исходит, возможно, из предположения, что наиболее неблагоприятное направление ветра для окон конкретного помещения - это лобовой ветер.
Цель исследовать влияние направления ветра с учетом большого количества рассматриваемых направлений на процессы инфильтрации через окна здания исходит из поиска ответов на вопросы:
1. насколько верно предполагать, что достаточно для определения максимальных расходов теплоты рассматривать 4-ре направления ветра, и для каждого фасада назначать максимумы, которые получаются при том обтекании, когда фасад является наветренным?
2. Насколько ограничения и допущения 2-4 в итоге влияют на значения максимальных инфильтрационных расходов?
В процессе исследования был решен ряд локальных задач:
• была создана собственная программа для численного моделирования воздушного режима здания на ЭВМ;
• проведены серии расчетов по программе для прямоугольного в плане здания типа «пластина», для 2-х способов определения ветрового давления:
1. восстановлением ветрового давления по распределению аэродинамического коэффициента давления при заданном законе изменения продольной скорости ветра по высоте;
2. численным моделированием обтекания здания нормативным ветром (была произведена серия расчетов обтекания модельного здания для 24-х направлении ветра);
• по расчетам в программе для двух вариантов задания граничного условия в виде распределения ветрового давления получены таблицы с максимумами расходов инфильтрующегося воздуха через окна здания при обходе по всем рассматриваемым углам.
Исследование влияния направления ветра на процессы инфильтрации воздуха
через окна здания
Система уравнений, описывающих воздушный режим здания, решаемая численно при помощи программы для ЭВМ, выглядит следующим образом:
Р = Р + S G3/2 Р — Р )
н вк!] в вЬ ок вкл.] ок вкцо 1V н вкц в вк]'
вк]
н вкЦ в вЬ ок вку ок вЬ]' Р0 в = Рв вк] + ^дв вк]Пдв вк]3!ёп(.Р0 в — Рв вкк )
вк]
X ЬЬ=1 аок вк^ёп(Рн вк] — Рв вк]к ) = Пдв в!]^ёп(Р0 в — Рв вк] ) + АПп
1вк]
1)
Xм Укв п = о
]=1 Х к=1 дв вк]
где Рн гк]] - наружное давление, Па; Р0 е - внутренне давление в подъезде, Па;
ок вк!]
характеристика сопротивления окна, £дв вк. - характеристика сопротивления двери, Оок вк] -
расход воздуха через окно, кг/ч; Пдв вкк - расход воздуха через дверь, кг/ч; АПп вк] - дисбаланс
воздуха по каждой квартире, кг/ч; e - индекс подъезда, k - индекс квартиры, ] - индекс этажа, i - индекс окна.
<
Используется математическая модель работы [6] с учетом поправок на изменившиеся со временем размерности сопротивлений воздухопроницания, которые учтены в [1,2]. Характеристики сопротивления окна и двери здания (с учетом поправок) можно записать в виде:
^ ь= 10
ок вк]
\
п
ок вк]
А
^ ок вМ] у
3/2
Б и= 10
дв вМ
\
п
дв вк]
А
\ дв вк] у
2)
где ^ок ек] - сопротивление воздухопроницанию окна, м2 • ч/кг ; Аок ек]] - площадь
окна, м2 ; ^дв вк] - сопротивление воздухопроницанию двери, м2 • Па • ч/кг ; Адв к - площадь
2
двери, м .
В работе под решением задачи воздушного режима здания понимается нахождение расходов через воздухопроницаемые элементы в здании - окна и двери. При этом система уравнений не включает моделирование процессов работы вентиляции - параметры вентиляции задаются в виде дисбалансов по квартирам, а также условием нулевого дисбаланса по внутриподъездному (площадки межэтажных лестниц, лестницы, лифтовая шахта и пр.) пространству для каждого подъезда здания:
да
п вк]
0
] =1 Ъ к=1
=1 дв вк]
0
3)
Наружное давление определяется в виде суммы ветрового давления и гравитационного, действующих на поверхность каждого окна:
где с р — аэродинамический коэффициент ветрового давления; рн , рв — плотности снаружи и внутри помещения, кг/м3; % — ускорение свободного падения м2/с; % ] — высота окна на ]-ом этаже, м; Н — высота здания, м. Ветровое давление . Наружные входные двери рассматриваются как непроницаемые.
Представлен расчет модельного здания типа «пластина» с условным названием X8 для скорости ветра 1!0 = 3 м/с, при Др = 0,2 кг/м3( рн = 1,4 кг/м3 - при ^ =-20°, ре = 1,2 кг/м3 -при ^ = 20°), при постоянном для всех окон сопротивлении воздухопроницанию Я0Ке^ = 1
м2 • ч/кг, при постоянном для всех входных дверей в квартиру сопротивлении
воздухопроницанию Ядв в] = 0,5 м2 • Па • ч/кг (физический смысл и размерность
сопротивлений воздухопроницанию у окон и дверей приняты в соответствии с действующим СП 50.13330.2012 «Тепловая защита здания»). План типового этажа и ориентация направлений ветра представлена на рис. 1. Отношение длины здания к ширине отражено в его обозначении. 12-ти этажное здание X8 имеет ширину 12 м, длину 98 м (отношением длины к ширине 98:12=8,16), высотой 42 м. В здании 4-ре подъезда. На рис. 1 периметру здания обозначена нумерация окон. Для каждого этажа каждого подъезда квартиры пронумерованы от 1 -ого до 4-х, для каждого этажа нумерация окон начинается с 1 -цы и общая для всех подъездов.
2
Рис. 1. План типового этажа и ориентация направлений ветра для здания Х8
В случае 4-х направлениях ветра (0°, 90°, 180°, 270°) при задании ветрового давления при помощи стандартных коэффициентов использовался распространённый в исследованиях воздушного режима подход назначения разности коэффициентов давления Сн — С. Для нижней трети здания на наветренной Сн — С = 0,9, на средней трети здания - Сн — С = 0,98, на верхней трети - Сн — С = 1,06. На остальных сторонах фасада - Сн — С = 0. Взяты средние значения по различным источникам для здания типа «пластина» [6], где См -аэродинамический коэффициент давления на наветренной стороне, С - аэродинамический коэффициент давления на заветренной стороне.
Ветровое давление восстанавливалось по формуле:
Р = q( г) С,
5)
аэродинамический коэффициент давления выражался как С = Сн — С, скоростной
напор в соответствии с СП «Нагрузки и воздействия» как q(г) = к(г) = к10 (г /10) ,
где wo - нормативное значение ветрового давления, зависящее от ветрового района, Па; к(г) -коэффициент высоты, зависящий от типа местности A, B или ^ В случае назначения по данным метеостанций по СП положено использовать тип местности А, поэтому в задачах воздушного режима здания, когда нормативное значение ветрового давления определяется не по ветровому району, а по данным метеостанций Росгидромета, использовался скоростной напор q(г) для типа местности А со следующими константами: к10 = 1, а = 0.15 . Нормативное
ветровое давление выражается через скорость ио, задаваемую на основе
метеорологических данных:
^0 =Р
и2
и 0
2
6)
В случае определения ветрового давления при помощи численного моделирования задавался идентичный скоростной напор посредством закона изменения средней продольной скорости ветра по высоте:
' z Л
10.0
=ип
z
10.0
7)
где р - плотность воздуха, кг/м3; z - высота относительно нулевого уровня, м; а -степенной коэффициент, зависящий от типа местности. Направления ветра задавались в соответствии системой координат, рис. 1. Шаг по углу принят 15° - на 360° приходится 24 направления ветра.
Следует отметить, что в СП «Нагрузки и воздействия» величина давления (Па) называется нагрузкой и обозначается wm, если речь идет о средней составляющей ветровой нагрузки. Для задач ВРЗ как раз используется средняя составляющая давления (нагрузки), которая обозначается P и соответствует wm из СП. В рамках Численное моделирование ветровой нагрузки проводилось в пакете вычислительной гидрогазодинамики STAR-CCM+[7]. В рамках метода конечного объема использовалась вычислительная технологии RANS, подробно данная технология моделирования описана в работах [8-10].
Полученные результаты
На первой стадии исследования были получены распределения давления по фасадам модельного здания для углов [0°, 345°] с шагом 15°. В статье представлены поля давления по фасадам здания при виде со стороны настилающего ветра для углов 0° и 60°, рис. 1.
1) 2)
Рис. 2. Поля ветрового давления, полученные в пакете 8ТЛЯ-ССМ+: 1) при направлении ветра 0°, 2) при направлении ветра 60°
На второй стадии исследований были получены картины распределения расходов воздуха через окна для двух способов определения ветрового давления. В статье приводятся данные расчетов по программе для углов 0° и 90° (рис. 3-4) для подхода определения распределения ветрового давления по справочным коэффициентам, затем для углов 0°, 60°, 90° (рис. 5-7) - результаты для подхода с моделированием распределения ветрового давления.
Последнюю часть исследований представляют таблицы с полученными максимумами по инфильтрационным расходам по окнам всего здания для двух случаев задания ветрового давления при расчете ВРЗ, также представлены таблицы с направлениями (углами), при которых были найдены максимумы (см. рис. 8, табл. 1-5). (Примечание: Инфильтрационные расходы имеют отрицательные значения).
Рис. 8. Распределения максимальных расходов инфильтрующегося воздуха по окнам здания: а) моделирование ветрового давления для 24-х направлений ветра; б) восстановление ветрового давления для 4-х направлений ветра.
Таблица 1
Максимальные расходы инфильтрующегося воздуха через окна здания (моделирование ветрового давления, 24 направления)
№ эт\№ ок 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26
1 -2,72 -2,72 2,12 -2,25 2,29 -2,18 -2,18 -2,18 -2,18 -2,16 -2,16 -2,16 -2,15 2,16 2,16 -2,15 -2,16 2,16 2,16 -2,18 -2,18 -2,18 2,18 -2,29 -2,25 -2,12
2 -2,61 -2,61 -2,05 -2,16 -2,20 -2,05 -2,04 -2,04 -2,04 -2,03 -2,02 -2,01 -2,00 -2,00 -2,00 -2,00 -2,01 -2,02 -2,03 -2,04 -2,04 -2,04 -2,05 -2,20 -2,15 -2,05
3 -2,50 -2,50 1,96 -2,06 -2,09 -1,94 -1,93 1,92 -1,92 -1,91 1,90 -1,88 -1,87 -1,86 -1,86 1,87 -1,88 -1,90 -1,91 -1,92 -1,92 -1,93 1,94 -2,09 -2,06 -1,96
4 -2,34 -2,40 -1,82 -1,91 1,92 -1,80 -1,79 -1,78 -1,78 -1,76 -1,76 -1,75 -1,74 -1,73 -1,73 -1,74 -1,75 -1,76 1,76 -1,78 -1,78 -1,79 1,80 1,92 1,91 1,82
5 -2,28 -2,28 -1,62 -1,71 -1,72 -1,60 -1,58 -1,58 -1,58 -1,55 -1,55 -1,55 -1,53 -1,53 1,53 1,53 -1,55 -1,55 1,55 -1,58 -1,58 -1,58 1,60 1,72 1,71 1,62
6 -2,19 -2,19 -1,35 1,43 -1,43 -1,33 -1,31 -1,30 -1,30 -1,27 1,26 1,26 -1,24 1,24 1,24 1,24 -1,26 1,26 1,27 -1,30 -1,30 -1,31 1,33 1,43 -1,43 1,35
7 1,76 -1,76 -0,91 -0,99 -0,99 -0,87 -0,83 -0,82 -0,83 -0,80 -0,78 -0,77 -0,75 -0,73 -0,73 -0,75 -0,77 -0,78 -0,80 -0,83 -0,82 -0,83 -0,87 -0,99 0,99 0,91
8 -1,43 -1,43 0,00 -0,18 -0,16 -0,09 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 -0,09 -0,16 -0,18 0,00
9 -1,17 -1,17 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
10 -0,91 -0,91 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
11 -0,63 -0,63 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
12 0.00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
№ эт\№ ок 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52
1 -2,72 -2,72 -2,11 -2,24 -2,28 -3,07 -3,07 -2,62 -2,60 -3,04 3,03 3,03 3,03 -2,57 -2,57 3,03 3,03 -3,03 -3,04 2,60 2,62 3,07 -3,07 -2,28 -2,24 2,11
2 -2,61 -2,61 -2,04 -2,15 -2,19 -2,78 2,79 -2,48 -2,45 2,74 -2,73 -2,73 -2,73 -2,40 -2,40 -2,73 2,73 -2,73 2,74 -2,45 -2,48 2,79 -2,78 -2,19 -2,15 -2,04
3 -2,50 -2,50 -1,94 -2,03 -2,06 -2,47 -2,47 -2,33 -2,30 -2,43 -2,41 -2,41 -2,40 -2,26 -2,26 -2,40 -2,41 -2,41 -2,43 -2,30 -2,33 -2,47 -2,47 -2,06 -2,03 -1,94
4 -2,40 -2,39 1,79 -1,88 -1,90 -2,13 -2,12 -2,19 -2,16 -2,07 -2,05 -2,05 2,04 -2,10 -2,10 2,04 2,05 -2,05 -2,07 2,16 2,19 -2,12 -2,13 1,90 -1,88 1,79
5 -2,28 -2,28 -1,59 -1,67 -1,68 -1,74 -1,73 -2,04 -2,00 -1,66 -1,64 -1,64 -1,63 -1,94 -1,94 -1,63 -1,64 -1,64 -1,66 -2,00 -2,04 -1,73 -1,74 -1,68 -1,67 -1,59
6 -2,19 -2,19 -1,30 -1,38 -1,38 -1,27 -1,25 1,83 -1,71 -1,15 -1,13 -1,13 -1,12 -1,64 -1,64 1,12 -1,13 1,13 1,15 1,71 1,83 -1,25 -1,27 1,38 -1,38 1,30
7 -1,76 -1,76 -0,73 -0,82 -0,81 -0,59 -0,56 -1,34 -1,27 -0,33 -0,29 -0,28 -0,24 -1,19 -1,19 -0,24 -0,28 -0,29 -0,33 -1,27 -1,34 -0,56 -0,59 -0,81 -0,82 -0,73
8 -1,43 -1,43 0,00 -0,11 -0,08 0,00 0,00 -1,02 -0,95 0,00 0,00 0,00 0,00 -0,92 -0,92 0,00 0,00 0,00 0,00 -0,95 -1,02 0,00 0,00 -0,08 -0,11 0,00
9 -1,17 -1,17 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 -0,76 -0,68 0,00 0,00 0,00 0,00 -0,67 -0,67 0,00 0,00 0,00 0,00 -0,68 -0,76 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
10 -0,91 -0,91 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 -0,47 -0,38 0,00 0,00 0,00 0,00 -0,38 -0,38 0,00 0,00 0,00 0,00 -0,38 -0,47 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
11 -0,63 -0,63 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
12 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
Таблица 2
Максимальные расходы инфильтрующегося воздуха через окна здания (восстановление ветрового давления, 4 направления)
№ эД№ ок 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26
1 -2,07 -2,07 -1,83 -1,83 -1,83 -1,83 -1,83 -1,83 -1,83 1,83 -1,83 1,83 1,83 -1,83 1,83 -1,83 -1,83 -1,83 1,83 -1,83 -1,83 1,83 -1,83 -1,83 1,83 -1,83
2 -2,06 -2,06 -1,75 -1,75 -1,75 -1,75 -1,75 -1,75 -1,75 -1,75 -1,75 -1,75 -1,75 -1,75 1,75 1,75 -1,75 -1,75 1,75 -1,75 -1,75 1,75 -1,75 -1,75 1,75 -1,75
3 -1,98 -1,98 -1,62 -1,62 -1,62 -1,62 -1,62 -1,62 1,62 -1,62 -1,62 1,62 -1,62 -1,62 1,62 -1,62 -1,62 -1,62 1,62 -1,62 -1,62 -1,62 1,62 -1,62 1,62 -1,62
4 -1,87 -1,87 -1,49 -1,49 -1,49 -1,49 -1,49 -1,49 -1,48 -1,48 -1,48 -1,48 -1,48 -1,48 -1,48 -1,48 -1,48 -1,48 -1,48 -1,48 -1,49 -1,49 -1,49 -1,49 -1,49 -1,49
5 -1,81 -1,81 1,39 -1,39 -1,39 1,39 -1,39 -1,39 -1,39 -1,39 -1,39 1,39 -1,39 -1,39 1,39 -1,39 -1,39 -1,39 1,39 -1,39 -1,39 1,39 -1,39 -1,39 1,39 -1,39
6 -1,66 -1,66 -1,12 -1,12 -1,12 -1,12 -1,12 -1,12 -1,12 -1,12 -1,12 -1,12 -1,12 -1,12 -1,12 -1,12 -1,12 -1,12 -1,12 -1,12 -1,12 -1,12 -1,12 -1,12 -1,12 -1,12
7 -1,23 -1,23 -0,52 -0,52 -0,52 -0,52 -0,52 -0,52 -0,49 -0,49 -0,49 -0,49 -0,49 -0,49 -0,49 -0,49 -0,49 -0,49 -0,49 -0,49 -0,52 -0,52 -0,52 -0,52 -0,52 -0,52
8 -0,87 -0,87 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
9 -0,67 -0,67 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
10 -0,37 -0,37 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
11 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
12 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
№ }Д№ ок 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52
1 -2,07 -2,07 -1,83 -1,83 1,83 -2,87 -2,87 -2,01 -1,99 -2,87 -2,87 -2,87 2,87 -1,99 1,99 2,87 -2,87 -2,87 2,87 1,99 2,01 2,87 -2,87 1,83 -1,83 1,83
2 -2,06 -2,06 -1,73 -1,73 -1,73 -2,61 -2,61 -1,99 -1,97 -2,57 -2,57 -2,57 2,57 1,97 1,97 -2,57 2,57 -2,57 -2,57 -1,97 1,99 2,61 2,61 1,73 -1,73 1,73
3 -1,98 -1,98 -1,61 -1,61 -1,61 -2,31 -2,31 -1,91 -1,89 -2,27 -2,27 -2,27 -2,27 -1,89 -1,89 -2,27 -2,27 -2,27 -2,27 -1,89 1,91 2.31 -2,31 -1,61 -1,61 1,61
4 -1,87 -1,87 -1,47 -1,47 -1,47 -1,97 -1,97 -1,80 -1,78 -1,92 -1,92 -1,92 -1,92 -1,78 -1,78 -1,92 -1,92 -1,92 -1,92 -1,78 -1,80 -1,97 -1,97 -1,47 -1,47 -1,47
5 -1,81 -1,81 -1,37 -1,37 -1,37 -1,61 -1,61 -1,73 -1,70 -1,55 -1,55 -1,55 -1,55 1,70 1,70 -1,55 -1,55 -1,55 -1,55 1,70 -1,73 1,61 1,61 -1,37 -1,37 1,37
6 -1,66 -1,66 -1,09 -1,09 -1,09 -1,11 -1,11 -1,57 -1,49 -1,04 -1,04 -1,04 -1,04 -1,49 -1,49 -1,04 -1,04 -1,04 -1,04 -1,49 -1,57 -1,11 -1,11 -1,09 -1,09 -1,09
7 -1,23 -1,23 -0,39 -0,39 -0,39 -0,29 -0,29 -1,06 -1,01 0,00 0,00 0,00 0,00 -1,01 -1,01 0,00 0,00 0,00 0,00 -1,01 -1,06 -0,29 -0,29 -0,39 -0,39 -0,39
8 -0,87 -0,87 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 -0,73 -0,68 0,00 0,00 0,00 0,00 -0,68 -0,68 0,00 0,00 0,00 0,00 -0,68 -0,73 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
9 -0,67 -0,67 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 -0,54 -0,50 0,00 0,00 0,00 0,00 -0,50 -0,50 0,00 0,00 0,00 0,00 -0,50 -0,54 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
10 -0,37 -0,37 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 -0,23 -0,18 0,00 0,00 0,00 0,00 -0,18 -0,18 0,00 0,00 0,00 0,00 -0,18 -0,23 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
11 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
12 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
Таблица 3
Направления (углы), при которых получены максимальные расходы инфильтрующегося воздуха через окна здания (моделирование ветрового давления)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26
1 0 0 60 60 60 60 60 75 60 75 75 60 90 90 90 90 120 105 105 120 105 120 120 120 120 120
2 0 0 60 60 60 30 60 75 60 75 75 75 75 105 75 105 105 105 105 120 105 120 150 120 120 120
3 0 0 60 60 60 30 60 75 60 75 75 75 75 105 75 105 105 105 105 120 105 120 150 120 120 120
4 0 0 60 60 60 60 60 75 60 75 75 75 75 105 75 105 105 105 105 120 105 120 120 120 120 120
5 0 0 60 60 60 60 60 75 60 75 75 75 75 105 75 105 105 105 105 120 105 120 120 120 120 120
6 0 0 60 60 60 60 60 75 60 75 75 75 75 105 75 105 105 105 105 120 105 120 120 120 120 120
7 0 0 60 60 b0 60 60 75 60 75 75 75 75 105 75 105 105 105 105 120 105 120 120 120 120 120
8 0 0 -1 60 75 60 -1 -1 -1 -1 -1 -1 120 105 120
9 0 0 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 1
10 0 0 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1
11 0 0 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1
№ эт\№ ок -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1
27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52
1 180 180 240 240 240 240 255 240 240 210 270 270 270 270 270 270 270 270 330 300 300 285 300 300 300 300
2 180 180 240 240 240 240 255 240 240 210 255 255 285 255 285 255 285 285 330 300 300 285 300 300 300 300
3 180 180 240 240 240 240 255 255 240 210 255 255 285 255 285 255 285 285 330 300 285 285 300 300 300 300
4 180 180 240 240 240 240 255 255 240 210 255 255 285 255 285 255 285 285 330 300 285 285 300 300 300 300
5 180 180 240 240 240 240 255 240 240 240 255 255 285 255 285 255 285 285 300 300 300 285 300 300 300 300
6 180 180 240 240 240 240 255 255 240 240 255 255 285 285 255 255 285 285 300 300 285 285 300 300 300 300
7 180 180 240 240 240 240 255 255 240 240 255 255 255 255 285 285 285 285 300 300 285 285 300 300 300 300
8 180 180 240 270 -1 255 255 -1 -1 270 270 -1 -1 -1 285 285 -1 270 300 -1
9 180 180 -1 -1 -1 -1 270 270 -1 -1 270 270 -1 -1 270 270 -1 -1 -1 -1
10 180 180 -1 -1 -1 270 270 -1 -1 270 270 -1 -1 270 270 -1 -1 -1 -1
11 180 180 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1
12 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1
Таблица 4
Направления (углы), при которых получены максимальные расходы инфильтрующегося воздуха через окна здания (восстановление ветрового давления)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26
1 0 0 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90
2 0 0 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90
3 0 0 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90
4 0 0 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90
5 0 0 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90
6 0 0 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90
7 0 0 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90 90
8 0 0 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1
9 0 0 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1
10 0 0 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1
11 0 0 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1
0 0 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1
27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52
1 180 180 270 270 270 0 0 270 270 0 0 0 0 270 270 0 0 0 0 270 270 180 180 270 270 270
2 180 180 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270
3 180 180 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270
4 180 180 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270
5 180 180 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270
6 180 180 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270
7 180 180 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270 270
8 180 180 -1 -1 -1 -1 -1 270 270 -1 -1 -1 -1 270 270 -1 -1 -1 -1 270 270 -1 -1 -1 -1 -1
9 180 180 -1 -1 -1 -1 -1 270 270 -1 -1 -1 -1 270 270 -1 -1 -1 -1 270 270 -1 -1 -1 -1 -1
10 180 180 -1 -1 -1 -1 -1 270 270 -1 -1 -1 -1 270 270 -1 -1 -1 -1 270 270 -1 -1 -1 -1 -1
11 180 180 -1 -1 -1 -1 -1 270 270 -1 -1 -1 -1 270 270 -1 -1 -1 -1 270 270 -1 -1 -1 -1 -1
12 180 180 -1 -1 -1 -1 -1 270 270 -1 -1 -1 -1 270 270 -1 -1 -1 -1 270 270 -1 -1 -1 -1 -1
Таблица 5
Сравнение максимальных расходов инфильтрующегося воздуха для двух вариантов получения ветрового давления (представлено расхождение в % от варианта расчетов с восстановленным ветровым давлением)
№ эгг\№ ок 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26
1 23,9 23,9 13,6 18,5 20,0 15,8 15,8 15,8 15,9 15,3 15,1 15,1 14,9 15,0 15,0 14,9 15,1 15,1 15,3 15,9 15,8 15,8 15,8 20,0 18,5 13,6
2 21,1 21,1 14,5 19,0 20,5 14,6 14,2 14,3 14,3 13,8 13,6 13,2 12,8 12,6 12,6 12,8 13,2 13,6 13,8 14,3 14,3 14,2 14,6 20,5 19,0 14,5
3 20,8 20,8 17,3 21,2 22,3 16,5 15,9 15,5 15,5 15,2 15,0 13,9 13,5 13,0 13,0 13,5 13,9 15,0 15,2 15,5 15,5 15,9 16,5 22,3 21,2 17,3
4 21,8 21,9 18,1 22,0 22,7 17,3 16,7 16,3 16,6 15,9 15,6 15,2 14,7 14,4 14,4 14,7 15,2 15,6 15,9 16,6 16,3 16,7 17,3 22,7 22,0 18,1
5 20,7 20,7 14,1 18,4 19,0 12,9 11,9 11,6 12,1 10,8 10,3 10,2 9,5 9,2 9,2 9,5 10,2 10,3 10,8 12,1 11,6 11,9 12,9 19,0 18,4 14,1
6 24,1 24,1 16,8 21,5 21,8 15,9 14,3 13,6 13,9 12,3 11,5 11,4 10,3 10,2 10,2 10,3 11,4 11,5 12,3 13,9 13,6 14,3 15,9 21,8 21,5 16,8
7 30,2 30,2 42,9 47,7 47,3 40,5 37,8 36,9 40,6 38,3 36,9 36,1 34,3 32,6 32,6 34,3 36,1 36,9 38,3 40,6 36,9 37,8 40,5 47,3 47,7 42,9
8 39,5 39,5
9 42,3 42,3
10 59,0 59,0
11
12
Заключение
После завершения исследования влияния направления ветра на процессы инфильтрации воздуха через окна здания можно сделать следующие выводы, которые в том числе и являются ответами на поставленные вопросы в начале исследования:
1. За некоторым исключением, если рассматривать только 4-ре направления ветра, когда ветер всегда ортогонален одной из сторон прямоугольного в плане здания (см. табл. 4) можно утверждать, что наиболее неблагоприятное направления для каждого окна в здании, когда фасад, на котором оно расположено, испытывает лобовой ветер. Однако если рассматривать более 4-х направлений, то наиболее неблагоприятные направления для окон с точки зрения инфильтрации воздуха в 95% от всех окон, где наблюдается инфильтрация по зданию, являются отличными от 0°, 90°, 180° и 270° (см. табл. 3, угол «-1» в таблицах 3-4 означает отсутствие инфильтрации по окну при всех рассмотренных направлениях ветра).
2. Анализируя полученные результаты по максимумам инфильтрационных расходов (см. рис. 8, табл. 1-2), полученных для двух вариантов назначения ветрового давления в расчетах воздушного режима модельного здания Х8 можно заметить, что в расчетах по программе ВРЗ при задании в качестве граничного условия распределения ветрового давления, восстановленного по распределению аэродинамического коэффициента давления, в среднем на 20% наблюдаются более низкие (по модулю) инфильтрационные расходы, чем в расчетах при задании смоделированного распределения ветрового давления (см. табл. 5).
ЛИТЕРАТУРА
1. Китайцева Е.Х. Обобщённые методы расчёта воздушного режима здания и факторов, влияющих на качество внутреннего воздуха. Диссертация на соискание учёной степени к.т.н. М.: МГСУ, 1995. 277 с.
2. Бирюков С.В. Разработка метода определения нормы потребления тепловой энергии системами отопления и вентиляции общественных зданий (на примере учебных корпусов вузов). Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. М.: МГСУ, 2002. 198 с.
3. Грудзинский М.М., Ливчак В.И., Поз М.Я. Отопительно-вентиляционные системы зданий повышенной этажности. М.: Стройиздат, 1982. 256 с.
4. Романовская И.А. Исследование воздушного режима помещений с кондиционированием воздуха. Водоснабжение и санитарная техника, №10, 1982. с. 13-14.
5. Светлов К.С. Исследование воздухообмена в зданиях с использованием ЭВМ. М.: Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. М: МИСИ, 1986. 254 с.
6. Требуков С.С. Организация воздушного режима многоэтажных общественных зданий. М.: Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. М: МИСИ, 1987. 205 с.
7. STAR-CCM+. Version 9.06. Methodology. CD Adapco Group. Computational Dynamics Limited. 2014.
8. Гувернюк С.В., Гагарин В.Г. Компьютерное моделирование аэродинамических воздействий на элементы ограждений высотных зданий // Журнал АВОК. 2006. №8 / C. 18-24.
9. Гагарин В.Г., Гувернюк С.В., Кубенин А.С. О достоверности компьютерных прогнозов при определении ветровых воздействий на здания и комплексы. // Жилищное строительство, 2014. №7. С. 3-8.
10. Вопросы применения современных компьютерных технологий для решения практических задач строительной аэродинамики / Гагарин В.Г., Гувернюк С.В., Кубенин А.С., Синявин А.А. // Вестник отделения строительных наук РААСН. 2014. Т.18. С. 151-156.
Рецензент: Зубков Александр Федорович, с.н.с., к.ф.-м.н., ФГБОУ ВПО «НИИ механики МГУ им М.В. Ломоносова».
Kubenin Alexander Sergeevich
Moscow State university of civil engineering
Russia, Moscow
Institut of mechanics Lomonosov Moscow state univercity
Russia, Moscow E-mail: [email protected]
Study on the effects of wind direction infiltration process air through the windows of building
Abstract. Reviewed study of the effect of wind direction on the air regime of the model building, particularly in the distribution pattern of infiltration cost of the windows of the building. For the purposes of the research in the programming language Visual Basic for application, built in MS Excel, has written a program to solve a system of equations that describe the air regime of the building. Also, for the purposes of the study, a series of numerical calculations in engineering fluid dynamics package STAR-CCM + flow model of the building to determine the wind pressure at the considered set of wind directions. The article presents the results of calculations of the author's program with the task of wind pressure, which was obtained in the simulation package STAR-CCM +, multiple wind directions. Also presented a number of directions for program payments in the case of the traditional method of appointment of the wind pressure with the use of reference data on the aerodynamic pressure ratio. In the case of the appointment of wind pressure as calculated in STAR-CCM + was calculated 24 wind direction, in the case of payments under the program with the task of aerodynamic pressure coefficient - 4 directions. In all areas of each of the two cases, the appointment of the wind pressure on the program for calculating the air mode buildings were defined highs infiltration costs. Thus, in the article on the example of a model of the building presents a methodology for determining the maximum infiltration at the windows of the building costs when traversing of the assigned amount of wind directions.
Keywords: air infiltration; air permeability; resistance to air permeability; infiltration heat loss; air regime building wind pressure; translucent structures; aerodynamic pressure coefficient; wind direction; numerical simulation; computational fluid dynamics; turbulence model.
REFERENCES
1. Kitaytseva E.Kh. Obobshchennye metody rascheta vozdushnogo rezhima zdaniya i faktorov, vliyayushchikh na kachestvo vnutrennego vozdukha. Dissertatsiya na soiskanie uchenoy stepeni k.t.n. M.: MGSU, 1995. 277 s.
2. Biryukov S.V. Razrabotka metoda opredeleniya normy potrebleniya teplovoy energii sistemami otopleniya i ventilyatsii obshchestvennykh zdaniy (na primere uchebnykh korpusov vuzov). Dissertatsiya na soiskanie uchenoy stepeni k.t.n. M.: MGSU, 2002. 198 s.
3. Grudzinskiy M.M., Livchak V.I., Poz M.Ya. Otopitel'no-ventilyatsionnye sistemy zdaniy povyshennoy etazhnosti. M.: Stroyizdat, 1982. 256 s.
4. Romanovskaya I.A. Issledovanie vozdushnogo rezhima pomeshcheniy s konditsionirovaniem vozdukha. Vodosnabzhenie i sanitarnaya tekhnika, №10, 1982. s. 13-14.
5. Svetlov K.S. Issledovanie vozdukhoobmena v zdaniyakh s ispol'zovaniem EVM. M.: Dissertatsiya na soiskanie uchenoy stepeni k.t.n. M: MISI, 1986. 254 s.
6. Trebukov S.S. Organizatsiya vozdushnogo rezhima mnogoetazhnykh obshchestvennykh zdaniy. M.: Dissertatsiya na soiskanie uchenoy stepeni k.t.n. M: MISI, 1987. 205 s.
7. STAR-CCM+. Version 9.06. Methodology. CD Adapco Group. Computational Dynamics Limited. 2014.
8. Guvernyuk S.V., Gagarin V.G. Komp'yuternoe modelirovanie aerodinamicheskikh vozdeystviy na elementy ograzhdeniy vysotnykh zdaniy // Zhurnal AVOK. 2006. №8 /C. 18-24.
9. Gagarin V.G., Guvernyuk S.V., Kubenin A.S. O dostovernosti komp'yuternykh prognozov pri opredelenii vetrovykh vozdeystviy na zdaniya i kompleksy. // Zhilishchnoe stroitel'stvo, 2014. №7. S. 3-8.
10. Voprosy primeneniya sovremennykh komp'yuternykh tekhnologiy dlya resheniya prakticheskikh zadach stroitel'noy aerodinamiki / Gagarin V.G., Guvernyuk S.V., Kubenin A.S., Sinyavin A.A. // Vestnik otdeleniya stroitel'nykh nauk RAASN. 2014. T.18. S. 151-156.
