CC BY
12с1о1: 10.5862/МСЕ.50.6
Оптимизированная конструкция навесного вентилируемого
фасада
Магистр В.А. Емельянова;
ассистент Д.В. Немова; студент Д.Р. Мифтахова,
Санкт-Петербургский государственный политехнический университет
Аннотация. На сегодняшний день одним из самых универсальных видов облицовки по соотношению цена - качество по праву называют навесные фасадные системы. Навесной вентилируемый фасад характеризуется наличием вертикальной воздушной прослойки. Если монтаж системы произведен с нарушениями, образуются невентилируемые участки. Недостаточный воздухообмен приводит к снижению теплозащитных свойств конструкции.
Необходимо четко представлять, как работает вентилируемый зазор, и как его толщина влияет на работу всей системы. Установив связь размеров канала (высоты Ь и толщины И) со средней скоростью свободноконвективных течений, можно оптимально подобрать толщину воздушной прослойки. Это позволит системе работать максимально эффективно, тем самым окупая стоимость затрат на ее установку.
Целью данной работы является совершенствование конструкции НВФ, поиск методики определения гидравлически оптимального воздушного зазора и оценка экономии при установке системы с максимальной производительностью. В результате была доказана целесообразность применения гидравлически оптимального фасада.
Ключевые слова: гидравлика; навесной вентилируемый фасад; свободно-конвективное течение; вертикальная воздушная прослойка; цена потерь напора; гидравлически оптимальный канал
Введение
В настоящее время происходит поиск новых возможностей для повышения энергоэффективности зданий. Широко стали применяться ограждающие конструкции с использованием эффективных утеплителей, в их числе навесные вентилируемые фасады с вентилируемым воздушным зазором. Воздушная вентилируемая прослойка оказывает влияние на все теплофизические характеристики фасада, и ее правильная организация является важной практической задачей [1].
Навесной вентилируемый фасад (НВФ) - это конструкция, состоящая из утеплителя, материалов облицовки и подоблицовочной конструкции. НВФ отличается от других типов фасадов наличием воздушного зазора под облицовкой. Воздушный зазор работает по принципу вытяжной трубы: перепад давления и разница температур снаружи и внутри зазора заставляют воздух в пространстве между наружной облицовкой и поверхностью изоляционного материала циркулировать. Создается тяга, воздух в вентилируемом промежутке поднимается вверх, за счет чего из него удаляется атмосферная и внутренняя влага. Чем выше температура воздуха в зазоре, тем больше воздушная тяга. Схема конструкции навесного фасада с воздушным зазором представлена на рисунке 1.
Рисунок 1. Схема конструкции навесного фасада с воздушным зазором
Целью данной работы было совершенствование конструкции навесного вентилируемого фасада, для этого поставлены следующие задачи:
• определение оптимальной ширины воздушной прослойки;
• оптимизация стоимостных показателей НВФ за счет изменения ширины вентилируемой воздушной прослойки.
Обзор литературы
Большой вклад в изучение характеристик свободноконвективных течений (СКТ) внесли российские и зарубежные исследователи. Определению теплофизических свойств вентилируемых воздушных прослоек и их влиянию на температурно-влажностный режим ограждающих конструкций посвящены работы М.А. Михеева, Э.Р. Эккерта, Г.З. Гершуни, Ю.А. Соковишина, О.Г. Мартыненко, Е.И. Идельчика, В.Л. Шифринсона, Е.М. Жуховицкого, Г.А. Остроумова, Ю.С. Чумакова, С.Б. Колешко, В.Д. Мачинского, К.Ф. Фокина, Х. Уонга, В.Н. Богословского, Ю.А. Табунщикова, В.Г. Гагарина, В.В. Козлова, Е. Ю. Цыкановского и многих других специалистов [2-19].
Гидравлика термогравитационных движений (ТГД) практически не представлена в обозримой литературе, в то время как количество частных гидродинамических решений огромно и нарастает по мере развития симуляторов для получения так называемых «точных» решений уравнений с частными производными невысокого порядка. Принципиальные вопросы верификации гидродинамических решений часто требуют особого исследования, что специально подчеркивается в работе [8]. Нормативно-техническая литература по расчету ТГД в элементах строительных конструкций и инженерных сетей зданий и сооружений бедна, но содержит некоторые эмпирические рекомендации, выверенные практикой проектирования. Например, имеются рекомендации по расчету средних скоростей и коэффициентов переноса, представляющие исключительно эмпирическую рецептуру.
С этой точки зрения гидравлические решения задач ТГД необходимы для рациональной оценки основных гидравлических характеристик свободно-конвективного потока (расхода и средней скорости, температуры, интенсивности переноса теплоты и влаги).
Под гидравлическими решениями понимаются решения не для плотностей распределений, а для распределений (или функционалов, или аддитивных функций множества - в других терминах). Известны работы по гидродинамике и тепло- и массообмену при ТГД в строительных конструкциях [20-30].
Приближение (или модель) Буссинеска применяется для расчета термогравитационных движений.
Предполагается, что:
• жидкость - совершенный газ, р = ЯрТ;
• (*) движение баротропное, т. е. существует взаимнооднозначное отображение (биекция)
р = ;
• статическое (термодинамическое) давление р следует
условию равновесия
— + gdz = 0,
координата ъ
направлена вертикально вверх.
Применение модели Буссинеска в гидродинамических задачах позволяет исключить поверхностные силы статического давления и силу тяжести и записать теорему импульсов в виде
ди:
ду
д2и.
+ Е0,
Т-Т в:= с
Т -Т
е [ОД], где Т -
дг ду ^ " ду2
температура; Тс, Ть - температуры холодного воздуха и горячей поверхности канала; у - координата, направленная поперек канала (рис. 2).
Рисунок 2. Схема вертикального канала
Отмеченное (*) условие, вообще говоря, не предполагается моделью Буссинеска,
ди.в див у д20
замыкаемой уравнением энергии:
, где а - число Прандтля. Условие
дг ду ст ду2
баротропности р = р1р^ аппроксимируемое степенной (политропной) зависимостью р = Ар" (А - постоянная), при п < к отвечает подводу теплоты в СКТ и интегрально заменяет решение уравнения энергии [31, 32].
Средняя скорость СКТ в вертикальном призматическом канале
При подводе теплоты к воздушному потоку п < к. Тогда:
• техническая работа расширения при отсутствии внешнего теплообмена,
Po V
не превосходит технической работы политропного расширения 1Тп,
J к
П ^ К 1т,„ ■= - I
dp
, Ур < р0 , где р0 - статическое давление при z = 0 (рис. 3);
Po
Рисунок 3. Техническая работа адиабатного и политропного потоков
избыток технической работы А1Т п_к = 1Т л - 1Т > 0, к > п затрачивается на
перемещение массы воздуха по воздушному каналу. Точнее, А1Т к =
, где ф < 1 -
коэффициент скорости. По определению: (р := Следовательно,
V = ф\1пт ^
п к RT
л/1 + C
gL
2 <р'
■,СГ~ коэффициент потерь, С,т > 0.
(1)
Формула (1) приводится в работе [31]. В [33] сделана попытка найти зависимость показателя политропы п от интенсивности внешней теплопередачи в канале. По существу, это требует решения уравнения энергии для потока.
Величина разности п"1-к"1 может быть определена через среднюю температуру холодного воздуха Тс и горячей грани Ти и относительную длину канала Л. Для этого необходимо введение
n
2
V
1
понятия давления тяги как разности давлений холодного и горячего воздуха на плоскости г=0 [33]. В приближении Буссинеска:
Др := pc-ph=gL
V с
\ Рь ЯТь) = Рс gL(
Рс II. -,Л:=
Рс~АР Тс
следует:
Ал := Л
1-6»
1-Ав
Далее, из приближения Буссинеска получается:
Ал ^
11 п к
с * Ь /
из предыдущей формулы
(2)
(2!)
Рисунок 4. Распределение давления Рисунок 5. Линия давления СКТ
по координате т от давления р0 в вертикальном щелевом канале
На рисунке 4 показано распределение давления по координате т от давления р0. Для реального вертикального канала давление в створе т = одинаково для холодного (п = к) и для горячего (к > п) столбов воздуха. Поэтому величина Ал переносится на отметку т. = 0 (рис. 5).
Из (2) и (2!) следует:
1_1 п к
2 Ал 2 1-0
Л2 Л1-Л<9
1 1
что является вполне очевидным результатом. Разность п" -к стилизует теплопередачу, вызывающую возникновение плавучести (архимедовой подъемной силы). Можно сделать вывод о том, что:
• величина этой силы возрастает при уменьшении 0 = Тс/Ти;
• с увеличением длины (высоты) канала тяга (драфт) возрастает. Например, если Л мала, то для создания движения необходима большая разность п"1-к" , т. е. интенсивный нагрев и наоборот, в длинном канале тяга создается меньшим нагревом.
В силу (1)
у = <Рл
I \-в \-Ав
1-в
1 + С
(3)
с
1
Здесь С,г > 0 - коэффициент потерь давления (или напора).
Согласно традиции Вейсбаха С, =Л--> гДе ^ ~~ число Дарси; ^ - коэффициент
/? 3
потерь напора на местных сопротивлениях, кроме коэффициента потерь напора на выход. Таким образом, (3) решает поставленную задачу.
Тогда
О := vh = h
l-в
V + C
Рассматривая Q как функцию от L,h, Q=Q(L,h), утверждаем:
(4)
2 gh
Я
i-оУ о,
(41)
и Q(L,h) -
Qt,0j=0,Qt,h]
монотонно
так
же
h
1
возрастающая функция от I. Точно
и, как и в предыдущем случае, Q(L,h) -
монотонно возрастающая функция от ^ Из сравнения предельных значений Q(L,h) следует:
[к Ь
Сравнивая условия, реализующие максимальный расход сквозь щель, получаем:
h
Я
При больших размерах щели вертикальный канал с обогреваемой гранью подобен вертикальной обогреваемой пластине (ТГД в полуограниченном вертикальной плоскостью у=0 полупространстве). Естественно, в этом случае движение мало отличается от равномерного и = 0. Значит, оптимальный размер канала, отвечающий максимуму пропускной
■J -М--
способности:
L h
J_
/I
Если местные потери напора отсутствуют (кроме потерь напора на выход), то в силу (41) максимальный расход составит:
Qmax = .
(42)
Следовательно, чем меньше число Дарси X, тем меньше скорость. Это парадоксально, но следует иметь в виду, что в оптимальном канале И = т. е. чем меньше X, тем уже оптимальный канал. Значит, при заданной высоте канала его пропускная способность максимальна за счет увеличения средней скорости V в ТГД.
Итак, оптимальная ширина канала зависит от физических свойств воздуха и от температурного фактора 9. Канал, оптимальный при значении 0 = 0,98, окажется неоптимальным при 0 = 0,95. Для поддержания максимальной пропускной способности канала необходимо увеличивать его ширину при увеличении 9 (при увеличении температуры Тс холодного воздуха) и уменьшать ширину канала при уменьшении 9 [34-37].
Модель объекта исследования
Модель исследования - это наружная стена жилого здания в климатическом районе Санкт-Петербурга. Наружная стена представляет собой конструкцию НВФ с вентилируемой воздушной прослойкой. В качестве несущей подконструкции фасада принимается решение компании «Юкон Инжиниринг» АТС 234. Для данной системы кронштейны могут иметь длину 80, 120, 190, 220, 250 мм. Цены на них взяты из [38] (табл. 1).
Таблица 1. Цена на комплектующие для установки 1м2 НВФ при различной длине кронштейна
Длина кронштейна, м 0,080 0,120 0,153 0,190 0,220 0,250
Цена за 1 м2 НВФ с учетом НДС, руб 463,62 483,64 493,68 524,52 552,49 574,09
С целью определения экспериментальных характеристик воздушного потока В.Я. Ольшевским был проведен натурный эксперимент [39-40], основной целью которого было понимание реальной картины происходящего в прослойке НВФ. Объект исследования располагается в Санкт-Петербурге, ул. Орловская, д. 3. Это комплекс зданий, состоящий из 4 корпусов одинаковой высоты ^ = 28 м), на которых располагается система навесных вентилируемых фасадов. Ширина зазора между утеплителем и облицовочным материалом на каждом из зданий разная и варьируется от 8 до 15 сантиметров. Эксперимент проводился с помощью термоанемометра путем опускания датчика, расположенного на телескопической трубке. После некоторого времени, когда установились показания, фиксировался результат.
Состав ограждающей конструкции:
• кирпичная кладка пустотностью 22 % - 380 мм;
• минераловатный утеплитель Роск\л/оо1 - 100 мм;
• воздушный зазор;
• облицовочные керамогранитные плиты - 600x600 мм.
Результаты проведенных испытаний представлены в таблице 2.
Таблица 2. Результаты проведенных испытаний [40]
L, м ^ м ии V, м/с Q, м2/с
28 0,08 350 0,5-0,6 0,040-0,048
28 0,10 280 0,3-0,4 0,030-0,040
28 0,12 233 0,2-0,3 0,024-0,036
28 0,15 186 0,2 0,030
На основе данных, полученных В.Я. Ольшевским [40], авторами данной статьи были построены графики зависимости скорости V и расхода Q от толщины вертикальной воздушной прослойки (ВВП) (рис. 6, 7).
0 0,05 0,1 0,15
Толщина вертикальной воздушной прослойки ф), м
Рисунок 6. График зависимости скорости воздушного потока от толщины вертикальной воздушной прослойки
0,045
0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16
Толщина вертикальной воздушной прослойки ф), м
Рисунок 7. График зависимости расхода от толщины вертикальной воздушной
прослойки
В длину кронштейна входят толщина ВВП и толщина утеплителя. В данных испытаниях утеплитель был толщиной 100 мм, следовательно, можно перейти от толщины воздушной прослойки к длине кронштейна. Графики зависимости скорости V и расхода Q от длины кронштейнов представлены на рисунках 8, 9.
0,6
CQ СО
2 0,5 о
2 0,4 о 5
Is 0,3
я s S ^0,2
R 0,1
о
о
0,05
0,1 0,15 0,2
Длина кронштейна (L), м
0,25
Рисунок 8. График зависимости скорости воздушного потока от длины кронштейна
0,05 0,045 0,04 о 0,035
CN
2 0,03
о 0,025
g 0,02
8 0,015 а
0,01 0,005 0
0,05 0,1 0,15 0,2
Длина кронштейна (L), м
0,25
Рисунок 9. График зависимости расхода от длины кронштейна
0
0
0
Сведем данные, полученные для скорости V и расхода Q, а также цену на комплектующие для установки 1 м2 фасада в таблицу 3.
Таблица 3. Сопоставление экспериментальных данных с ценами на комплектующие
Длина кронштейна, м 0,180 0,190 0,200 0,220 0,250
Цена за 1 м2 НВФ с НДС, руб. 523,48 524,52 540,51 552,49 574,09
V, м/с 0,55 0,45 0,35 0,25 0,20
Q, м2/с 0,044 0,0395 0,035 0,032 0,030
Графики зависимости скорости V и расхода Q от цены на комплектующие для установки 1 м фасада представлены на рисунках 10, 11.
520 525 530 535 540 545
Цена за 1 м2 НВФ с учетом НДС, руб
550
555
Рисунок 10. График зависимости скорости воздушного потока от цены 1 м НВФ
с учетом НДС
520 525 530 535 540 545
Цена за 1 м2 НВФ с учетом НДС, руб
550
555
Рисунок 11. График зависимости расхода от цены 1 м НВФ с учетом НДС
Экономически выгодный фасад
При проведении натурного эксперимента [40] для получения данных рассматривались здания высотой 28 метров с различными зазорами воздушной прослойки (0,08, 0,10, 0,12, 0,15 м).
v - (p.
gL
T и
(5)
v^
1 + Л' h
1
A \
h
Ll L
(6)
мы можем получить теоретические значения параметров воздушного потока в вентилируемом зазоре для зданий, имеющих высоту, отличную от экспериментальных [40].
Рассмотрим три здания с применением НВФ:
• жилой дом «Князь Александр Невский», 35 этажей, высота 95 м (Санкт-Петербург, пр. Обуховской Обороны, д. 138, корп. 2);
• гостиница «Holiday Inn St. Petersburg MoskovskyeVorota», 17 этажей, высота 55 м (Санкт-Петербург, Московский пр., д. 97а);
• жилой дом, 8 этажей, высота 28 м (Санкт-Петербург, ул. Орловская, д. 3).
Скорости и расходы в воздушных зазорах были пересчитаны для вышеперечисленных зданий и представлены в таблице 4.
Таблица 4. Скорости и расходы в воздушных зазорах для вышеперечисленных зданий
v
i
Здание высотой 28 м Здание высотой 55 м Здание высотой 95 м
h ВВП, м V1, м/с Q1, м2/с V2, м/с Q2, м2/с V3, м/с Q3, м2/с
0,080 0,55 0,044 0,771 0,062 1,013 0,081
0,090 0,45 0,041 0,631 0,057 0,829 0,075
0,100 0,35 0,035 0,491 0,049 0,645 0,064
0,120 0,25 0,032 0,364 0,044 0,479 0,057
0,150 0,20 0,030 0,280 0,042 0,368 0,055
На рисунке 12 приведены зависимости расходов 01 (28 м), 02 (55 м), 03 (95 м) от цены на комплектующие на установку 1м 2 фасада при различной длине кронштейнов.
0,09
0,08
520 530 540 550 560 570
Цена за 1 м2 НВФ с учетом НДС, руб
Q1(28м) Q2 (55м) Q3 (95м)
580
Рисунок 12. График зависимости расхода от цены 1 м НВФ с учетом НДС
Оптимальный размер канала, отвечающий максимуму пропускной способности:
Ь 1
и=т <7)
И
Следовательно, к = —.
]—/
Значения коэффициентов гидравлического трения Л для каждого из зданий представлены в таблице 5.
Таблица 5. Значения коэффициентов гидравлического трения Л для каждого из зданий
И ВВП, м Л1(28м) Л2(55м) Л3(95м)
0,080 0,002857 0,001333 0,000842
0,090 0,003214 0,0015 0,000947
0,100 0,003571 0,001667 0,001053
0,120 0,004286 0,002 0,001263
0,150 0,005357 0,0025 0,001579
Изменение коэффициента гидравлического трения в зависимости от высоты здания представлено на рисунке 13.
я и н
е р
т
о г о к с е ч и л в
а р
д
н
е
ф ф
э о
0,006
0,005
0,004
0,003
0,002
0,001
Л1 (28м) Л2 (55м) Л3 (95м)
0
100 300 500 700 900 1100 1300
Отношение длины кронштейна к толщине вертикальной воздушной
прослойки (Ь/И)
Рисунок 13. График зависимости коэффициента гидравлического трения
от отношения Ь/И
Сведем все данные в таблицу 6.
Таблица 6. Расходы для рассматриваемых зданий
И, м м м h ВВП, м и/И Ь2/И Ь3/И 01(28м), м2/с 02(55м), м2/с 03(95м), м2/с
28 55 95 0,08 350 688 1188 0,044 0,062 0,081
28 55 95 0,09 311 611 1056 0,041 0,057 0,075
28 55 95 0,10 280 550 950 0,035 0,049 0,064
28 55 95 0,12 233 458 792 0,032 0,044 0,057
28 55 95 0,15 187 367 633 0,030 0,042 0,055
Изменение расхода О представлено на рисунке 14.
Рисунок 14. График зависимости расхода от отношения L/h
Как видно из таблицы 6, по мере увеличения высоты здания при той же толщине ВВП
Ц
расход также возрастает. Сравним цены потерь — напора для рассматриваемых зданий. Таблица 7. Цена потерь напора для рассматриваемых зданий
L кр, м Ц, руб. Q1(28M), м2/с Q2(55M), м2/с Q3(95M), м2/с Ц/QI, руб.с/м2 ЦЮ2, руб.с/м2 U/Q3, руб.с/м2
0,18 463,62 0,044 0,062 0,081 10537 7518 5720
0,19 524,52 0,041 0,057 0,075 12951 9241 7031
0,20 541,37 0,035 0,049 0,064 15429 11008 8376
0,22 552,49 0,032 0,044 0,057 17265 12635 9614
0,25 574,09 0,030 0,042 0,055 19136 13654 10389
Изменение цены потерь напора с увеличением расхода показано на рисунке 15.
Расход (Q), м2/с
Рисунок 15. График зависимости цены потерь напора от расхода
Основные результаты и выводы
1. Давление тяги пропорционально разности ТИ-Тс температур горячей грани канала и холодного воздуха.
2. Интенсивность передачи теплоты от горячей стенки холодному воздуху пропорциональна п~1-к~1, п < к. Эта разность обратно пропорциональна Л (приведенной высоте канала) и прямо пропорциональна относительному напору 1-9 = (Ти-Тс)/Тс. Следовательно, чем короче канал, тем большая интенсивность теплопередачи требуется для реализации ТГД с фиксированной средней скоростью.
3. Гидравлически оптимальный канал, обладающий при фиксированных значениях 0, I. максимальной пропускной способностью, имеет толщину И, в X раз меньшую высоты канала (X -число Дарси).
4. Выполненные расчеты показали, что при существующих типах кронштейнов сокращение затрат достигается на ограждающих конструкциях высотой не менее 50...60 м. Для зданий малой этажности не существует типоразмеров кронштейнов данного производителя.
Литература
1. Кузьменко Д.В., Ватин Н.И. Ограждающая конструкция «нулевой толщины» - термопанель // Инженерно-строительный журнал. 2008. №1. С. 13-21.
2. Явтушенко Е.Б. Основы гидравлического расчета навесных вентилируемых фасадов // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2013. № 2(7). С. 55-61.
3. Ayinde T.F., Said S.A.M., Habib M.A. Experimental investigation of turbulent natural convection flow in a channel // Heat and Mass Transfer. 2006. Vol. 42. Issue 3. Pp. 169-177.
4. Ayinde T.F., Said S.A.M., Habib M.A. Turbulent natural convection flow in a vertical channel with antisymmetric heating // Heat and Mass Transfer. 2008. Vol. 44. Issue 10. Pp. 1207-1216.
5. Bodia J.R., Osterle J.F.The development of free convection between heated vertical plates // Journal Heat Transfer. 1962. Vol. 84. Issue 1. Pp. 40-43.
6. Elenbaas W. Heat dissipation of Parallel plates by free Convection // Physica 1942. Vol. 9. Issue 1. Pp. 1-28.
7. Fedorov A.G., Viskanta R., Mohamad А.А. Turbulent heat and mass transfer in an asymmetrically heated, vertical parallel plate channel // International Journal of Heat and Fluid Flow. 1997. Vol. 18. Issue 3. Pp. 307-315.
8. Fedorov A.G., Viskanta R. Turbulent natural convection heat transfer in anasymmetrically heated, vertical parallel-plate channel // International Journal of Heat and Mass Transfer. 1997. Vol. 40. Issue 16. Pp. 3849-3860.
9. Naylor D., Floryan J.M., Tarasuk J.D. A Numerical study of Developing Free convection Between Isothermal vertical plates // Journal of Heat Transfer 1991. Vol. 113. Issue 3. Pp. 620-626.
10. Naylor D., Tarasuk J.D. Natural Convective Heat Transfer in a Divided vertical channel Part-I - Numerical Study // Journal of Heat Transfer. 1993. Vol. 115. Issue 2. Pp. 377-387.
11. Sparrow E.M. Azevedo L.F.A. Vertical channel natural convection spanning between fully-developed limit and the single-plate boundary-layer limit // International Journal Heat Mass Transfer. 1985. Vol. 28. Issue 10. Pp. 1847-1857.
12. Tanda G. Natural Convection Heat Transfer in vertical channels with and without transverse square ribs // International Journal of Heat Mass Transfer. 1997. Vol. 40. Issue 9. Pp. 2173-2185.
13. Miyamoto М. [et al] Turbulent Free Convection Heat Transfer From Vertical Parallel Plates // Proceeding of the International Heat Transfer Conference. 1986. Vol. 4. Pp. 1593-1598.
14. Badr H.M. [et al] Turbulent natural convection in vertical parallel-plate channels // International Journal Heat Mass Transfer. 2006. Vol. 43. Pp. 73-84.
15. Habib M.A. [et. al]. Velocity characteristics of turbulent natural convection in symmetrically and asymmetrically heated vertical channels // Experimental Thermal and Fluid Science. 2002. Vol. 26. Issue 1. Pp. 77-87.
16. Yilmaz T., Gilchrist А. Temperature and velocity field characteristics of turbulent natural convection in a vertical parallel-plate channel with asymmetric heating // Heat Mass Transfer. 2007. Vol. 43. Issue 7. Pp. 707-719.
17. Vatin N.I., Gorshkov A.S., Nemova D.V., Staritcyna A.A., Tarasova D.S. The Energy-Efficient Heat Insulation Thickness for Systems of Hinged Ventilated Fasades // Advanced Materials Research. 2014. No. 941-944. Pp. 905-920.
18. Kорниенко СБ. Температурно-влажностный режим наружных стен с вентилируемым фасадом // Academia. Архитектура и строительство. 2009. №5. С. 389-394.
19. Туснина О.А., Емельянов А.А., Туснина B.M. Теплотехнические свойства различных конструктивных систем навесных вентилируемых фасадов // Инженерно-строительный журнал. 2013. №8(43). С. 54-63.
20. Исаев С.А., Bатин Н.И., Баранов П.А., Судаков А.Г., Усачов А.Е., Егоров B.B. Разработка и верификация многоблочных вычислительных технологий для решения нестационарных задач строительной аэродинамики высотных зданий в рамках подхода URANS // Инженерно-строительный журнал. 2013. №1. С. 47-61.
21. Mашенков А.Н., ^солапов Е.А., Чебурканова ЕБ. Свободная одномерная конвекция в воздушном зазоре навесных фасадов зданий с разными тепловыми потоками через облицовочный слой и стенку // Жилищное строительство. 2009. №9. С. 27-31.
22. Mашенков А.Н., Чебурканова ЕБ. Определение коэффициента теплотехнической однородности навесных фасадных систем с воздушным зазором // Строительные материалы. 2007. №6. С. 10-12.
23. Mашенков А.Н., ^солапов Е.А., Чебурканова ЕБ. Mатематическое моделирование конвективного теплообмена около стены здания в приближении пограничного слоя // Известия вузов. Строительство. 2011. №5. С. 65-71.
24. Mашенков А.Н., Чебурканова ЕБ. Графический анализ влажностного режима и паропроницаемости навесной фасадной системы с воздушным вентилируемым зазором типа Ukon в диаграмме Шпайделя // Жилищное строительство. 2007. №11. С. 2-5.
25. Mашенков А.Н., ^солапов Е.А. О методах численного решения двумерных уравнений Буссинеска для свободной конвекции // Academia. Архитектура и строительство. 2010. №3. С. 292-296.
26. Mашенков А.Н., ^солапов Е.А., Чебурканова ЕБ. Общая система уравнений Буссинеска для одномерной свободной конвекции в плоском вертикальном слое // Приволжский научный журнал. 2012. №2. С. 93-98.
27. Гагарин BP, ^злов B.B., Лушин K.K Скорость движения воздуха в прослойке навесной фасадной системы при естественной вентиляции // Жилищное строительство. 2013. №10. С. 14-17.
28. Гагарин BP. Теплофизические проблемы современных стеновых ограждающих конструкций многоэтажных зданий // Academia. Архитектура и строительство. 2009. №5. С. 297-305.
29. Лапин B.n, Лапин СБ. Расчет конвективного движения воздуха в канале вентилируемого фасада при наличии горизонтальных щелей между плитками облицовки // Приволжский научный журнал. 2012. №2. С. 85-92.
30. ^рнилов Т.А., Амбросьев B.B. Экспериментальные исследования влияния воздушного потока в зазоре на теплозащитные свойства вентилируемых фасадных систем // Academia. Архитектура и строительство. 2010. №3. С. 344-347.
31. Умнякова Н.П. Элементы навесных вентилируемых фасадов, определяющие их теплозащитные качества // Academia. Архитектура и строительство. 2009. №5. С. 372-380.
32. Петриченко MP., Петроченко M.B. Гидравлика свободноконвективных течений в ограждающих конструкциях с воздушным зазором // Инженерно-строительный журнал. 2011. №8(26). С. 51-56.
33. Немова ДБ. Интегральные характеристики термогравитационной конвекции в воздушной прослойке навесных вентилируемых фасадов // Инженерно-строительный журнал. 2013. №2(37). С. 24-36.
34. Петриченко MP., Петроченко M.B. Достаточные условия существования свободноконвективного течения в вертикальном щелевом канале // Научно-технические ведомости СПбГПУ. 2012. №147. С. 276-282.
35. Петриченко MP., Петроченко M.B., Явтушенко Е.Б. Гидравлически оптимальная вентилируемая щель // Инженерно-строительный журнал. 2013. №2(37). С. 35-40.
36. Немова Д.В., Емельянова В.А., Мифтахова Д.Р., Экстремальные задачи расчета свободноконвективных движений в навесных вентилируемых фасадах // Инженерно-строительный журнал. 2013. №8(43). С. 46-53.
37. Петроченко М.В. Основы гидравлического расчета СКТ в ограждающих строительных конструкциях. Автореферат дисс.....канд.тех.наук. Санкт-Петербург, 2012. 20 с.
38. Прайс-лист на алюминиевую подконструкцию 11-коп (03.12.2013.)
39. Немова Д. В., Ольшевский В. Я., Цейтин Д. Н.Гидростатика термогравитационной конвекции в вертикальном канале // Научно-технические ведомости СПбГПУ. 2013. №183. С. 295-301.
40. Ольшевский В. Я. Результаты экспериментального определения скоростей и расходов в вентилируемых прослойках НВФ [Электронный ресурс]: магистерская диссертация. Санкт-Петербургский государственный политехнический университет. Инженерно-строительный институт. Кафедра строительства уникальных зданий и сооружений. Санкт-Петербург, 2014.
Варвара Алексеевна Емельянова, Санкт-Петербург, Россия Тел. моб.: +7(904)5503696; эл. почта: shein91@mail.ru
Дарья Викторовна Немова, Санкт-Петербург, Россия Тел. моб.: +7(921)8900267; эл. почта: darya.nemova@gmail.com
Динара Робертовна Мифтахова, Санкт-Петербург, Россия Тел. моб.: +7(981)8883718; эл. почта: dinara.miftakhova@gmail.com
© Емельянова В.А., Немова Д.В., Мифтахова Д.Р., 2014
doi: 10.5862/MCE.50.6
Optimized structure of ventilated facades
V.A. Emelianova
Saint-Petersburg State Polytechnical University, Saint-Petersburg, Russia
+79045503696; e-mail: shein91@mail.ru
D.V. Nemova
Saint-Petersburg State Polytechnical University, Saint-Petersburg, Russia +79218900267; e-mail: darya.nemova@gmail.com
D.R. Miftakhova
Saint-Petersburg State Polytechnical University, Saint-Petersburg, Russia +79818883718; e-mail: dinara.miftakhova@gmail.com
Key words
hydraulics; ventilated facade; free convective flow; vertical air gap; the price of pressure losses; hydraulically optimum channel
Abstract
Today, one of the most universal types of lining, in terms of the value for money, is rightly believed to be suspended facade systems. Ventilated facade is characterized by the presence of the vertical air gap. If the system has been installed with violations, unventilated areas appear. Insufficient ventilation leads to decreasing heat-shielding properties of the structure.
It has to be clearly understood how the ventilated air gap works and how its width affects the performance of the entire system. If the dependence between the size of the channel (height L and width h) and the average speed of free-convective flows is determined it is possible to choose an optimal width of the air gap. This will allow the system to work as efficiently as possible and thus pay off the costs related with installation of the system.
The aim of this work was to enhance the structure of the ventilated facade, find methods to define a hydraulically optimal air gap and estimate savings for the system with maximum efficiency. As a result it has been proved that it is reasonable to apply a hydraulically optimal facade.
References
1. Kuzmenko D.V., Vatin N.I. Ograzhdayushchaya konstruktsiya «nulevoy tolshchiny» - termopanel [Cladding "zero thickness" - thermopanel]. Magazine of Civil Engineering. 2008. No.1. Pp. 13-21. (rus)
2. Yavtushenko Ye. B. Osnovy gidravlicheskogo rascheta navesnykh ventiliruyemykh fasadov. Construction of Unique Buildings and Structures. 2013. № 2(7). Pp. 55-61.
3. Ayinde T.F., Said S.A.M., Habib M.A. Experimental investigation of turbulent natural convection flow in a channel. Heat and Mass Transfer. 2006. Vol. 42. Issue 3. Pp. 169-177.
4. Ayinde T.F., Said S.A.M., Habib M.A. Turbulent natural convection flow in a vertical channel with antisymmetric heating. Heat and Mass Transfer. 2008. Vol. 44. Issue 10. Pp. 1207-1216.
5. Bodia J.R., Osterle J.F.The development of free convection between heated vertical plates. Journal Heat Transfer. 1962. Vol. 84. Issue 1. Pp. 40-43.
6. Elenbaas W. Heat dissipation of Parallel plates by free Convection. Physica. 1942. Vol. 9. Issue 1. Pp. 1-28.
7. Fedorov A.G., Viskanta R., Mohamad A. A. Turbulent heat and mass transfer in an asymmetrically heated, vertical parallel plate channel. International Journal of Heat and Fluid Flow. 1997. Vol. 18. Issue 3. Pp. 307-315.
8. Fedorov A.G., Viskanta R. Turbulent natural convection heat transfer in anasymmetrically heated, vertical parallel-plate channel. International Journal of Heat and Mass Transfer. 1997. Vol. 40. Issue 16. Pp. 3849-3860.
9. Naylor D., Floryan J.M., Tarasuk J.D. A Numerical study of developing free convection between isothermal vertical plates. Journal of Heat Transfer. 1991. Vol. 113. Issue 3. Pp. 620-626.
10. Naylor D., Tarasuk J.D. Natural convective heat transfer in a divided vertical channel Part I - Numerical study. Journal of Heat Transfer. 1993. Vol. 115. Issue 2. Pp. 377-387.
11. Sparrow E.M. Azevedo L.F.A. Vertical channel natural convection spanning between fully-developed limit and the single-plate boundary-layer limit. International Journal Heat Mass Transfer. 1985. Vol. 28. Issue 10. Pp. 1847-1857.
12. Tanda G. Natural convection heat transfer in vertical channels with and without transverse square ribs. International Journal of Heat Mass Transfer. 1997. Vol. 40. Issue 9. Pp. 2173-2185.
13. Miyamoto M. [et al] Turbulent Free Convection Heat Transfer From Vertical Parallel Plates. Proceeding of the International Heat Transfer Conference. 1986. Vol. 4. Pp. 1593-1598.
14. Badr H.M. [et al] Turbulent natural convection in vertical parallel-plate channels. International Journal Heat Mass Transfer. 2006. Vol. 43. Pp. 73-84.
15. Habib M.A. [et. al]. Velocity characteristics of turbulent natural convection in symmetrically and asymmetrically heated vertical channels. Experimental Thermal and Fluid Science. 2002. Vol. 26. Issue 1. Pp. 77-87.
16. Yilmaz T., Gilchrist A. Temperature and velocity field characteristics of turbulent natural convection in a vertical parallel-plate channel with asymmetric heating. Heat Mass Transfer. 2007. Vol. 43. Issue 7. Pp. 707-719.
17. Vatin N.I., Gorshkov A.S., Nemova D.V., Staritcyna A.A., Tarasova D.S. The Energy-Efficient Heat Insulation Thickness for Systems of Hinged Ventilated Fasades. Advanced Materials Research. 2014. No. 941-944. Pp. 905-920.
18. Korniyenko S.V. Temperaturno-vlazhnostnyy rezhim naruzhnykh sten s ventiliruyemym fasadom [Temperature and humidity conditions of exterior walls with ventilated facade]. Academia. Arkhitektura i stroitelstvo. 2009. No. 5. Pp. 389-394. (rus)
19. Tusnina O.A., Emelianov A.A., Tusnina V.M. Teplotekhnicheskiye svoystva razlichnykh konstruktivnykh sistem navesnykh ventiliruyemykh fasadov [Thermal insulation properties of various ventilated facade systems]. Magazine of Civil Engineering. 2013. No.8(43). Pp. 54-63. (rus)
20. Isayev S.A., Vatin N.I., Baranov P.A., Sudakov A.G., Usachov A.E., Yegorov V.V. Razrabotka i verifikatsiya mnogoblochnykh vychislitelnykh tekhnologiy dlya resheniya nestatsionarnykh zadach stroitelnoy aerodinamiki vysotnykh zdaniy v ramkakh podkhoda URANS [Development and verification of multiblock computational technologies for solution of unsteady problems of high building aerodynamics in the framework of URANS approach]. Magazine of Civil Engineering. 2013. №1(36). Pp. 103-109. (rus)
21. Mashenkov A.N., Kosolapov Ye.A., Cheburkanova Ye.V. Svobodnaya odnomernaya konvektsiya v vozdushnom zazore navesnykh fasadov zdaniy s raznymi teplovymi potokami cherez oblitsovochnyy sloy i stenku [Free one-dimensional convection in the air gap suspended facades of buildings with different heat flows through the cladding layer and the wall]. Housing Construction. 2009. No. 9. Pp. 27-31. (rus)
22. Mashenkov A.N., Cheburkanova Ye.V. Opredeleniye koeffitsiyenta teplotekhnicheskoy odnorodnosti navesnykh fasadnykh sistem s vozdushnym zazorom [Determination of the coefficient of heat engineering homogeneity hinged facade systems with air gap]. Construction materials. 2007. No.6. Pp. 10-12. (rus)
23. Mashenkov A.N., Kosolapov Ye.A., Cheburkanova Ye.V. Matematicheskoye modelirovaniye konvektivnogo teploobmena okolo steny zdaniya v priblizhenii pogranichnogo sloya [Mathematical modeling of convective heat transfer near the wall of a building in the boundary layer approximation]. News of Higher Educational Institutions. Construction. 2011. No.5. Pp. 65-71. (rus)
24. Mashenkov A.N., Cheburkanova Ye.V. Graficheskiy analiz vlazhnostnogo rezhima i paropronitsayemosti navesnoy fasadnoy sistemy s vozdushnym ventiliruyemym zazorom tipa Ukon v diagramme Shpaydelya [Graphical analysis of moisture regime and water vapor permeability hinged facade system with air ventilated gap type Ukon in the Speidel chart]. Housing Construction. 2007. No.11. Pp. 2-5. (rus)
25. Mashenkov A.N., Kosolapov Ye.A. O metodakh chislennogo resheniya dvumernykh uravneniy Bussineska dlya svobodnoy konvektsii [On the methods of numerical solution of two-dimensional Boussinesq equations for free convection]. Academia. Arkhitektura i stroitelstvo. 2010. No. 3. Pp. 292-296. (rus)
26. Mashenkov A.N., Kosolapov Ye.A., Cheburkanova Ye.V. Obshchaya sistema uravneniy Bussineska dlya odnomernoy svobodnoy konvektsii v ploskom vertikalnom sloye [The general system of Boussinesq equations for one-dimensional free convection in a plane vertical layer]. Privolzhsky Scientific Journal. 2012. No.2. Pp. 93-98. (rus)
27. Gagarin V.G., Kozlov V.V., Lushin K.I. Skorost dvizheniya vozdukha v prosloyke navesnoy fasadnoy sistemy pri yestestvennoy ventilyatsii [Air velocity in the layer hinged facade system with natural ventilation]. Housing Construction. 2013. No.10. Pp. 14-17. (rus)
28. Gagarin V.G. Teplofizicheskiye problemy sovremennykh stenovykh ograzhdayushchikh konstruktsiy mnogoetazhnykh zdaniy [Thermophysical problems of modern wall enclosures multi-storey buildings]. Academia. Arkhitektura i stroitelstvo. 2009. No.5. Pp. 297-305. (rus)
29. Lapin V.G., Lapin S.V. Raschet konvektivnogo dvizheniya vozdukha v kanale ventiliruyemogo fasada pri nalichii gorizontalnykh shcheley mezhdu plitkami oblitsovki [Calculation of convective air flow in a channel of a ventilated facade in the presence horizontal gaps between the tiles lining]. Privolzhsky Scientific Journal. 2012. No.2. Pp. 85-92. (rus)
30. Kornilov T.A., Ambrosyev V.V. Eksperimentalnyye issledovaniya vliyaniya vozdushnogo potoka v zazore na teplozashchitnyye svoystva ventiliruyemykh fasadnykh sistem [Experimental study of the effect of air flow in the gap on the thermal insulation properties of ventilated facade systems]. Academia. Arkhitektura i stroitelstvo. 2010. No.3. Pp. 344-347. (rus)
31. Umnyakova N.P. Elementy navesnykh ventiliruyemykh fasadov, opredelyayushchiye ikh teplozashchitnyye kachestva [Elements of ventilated facades, determining their heat-proofing properties]. Academia. Arkhitektura i stroitelstvo. 2009. No.5. Pp. 372-380. (rus)
32. Petrichenko M.R., Petrochenko M.V. Gidravlika svobodnokonvektivnykh techeniy v ograzhdayushchikh konstruktsiyakh s vozdushnym zazorom [Hydraulics of natural convection flows in building walling with air gap]. Magazine of Civil Engineering. 2011. No.8(26). Pp. 51-56. (rus)
33. Nemova D.V. Integralnyye kharakteristiki termogravitatsionnoy konvektsii v vozdushnoy prosloyke navesnykh ventiliruyemykh fasadov [Integrated characteristics of thermogravitational convection in the air layer of ventilated facades]. Magazine of Civil Engineering. 2013. No.2(37). Pp. 25-34. (rus)
34. Petrichenko M.R., Petrochenko M.V. Dostatochnyye usloviya sushchestvovaniya svobodnokonvektivnogo techeniya v vertikalnom shchelevom kanale [Sufficient conditions for existence of free convection flow in vertical narrow channels]. St. Petersburg State Polytechnical University Journal. 2012. No.147. Pp. 276282. (rus)
35. Petrichenko M.R., Petrochenko M.V., Yavtushenko Ye.B. Gidravlicheski optimalnaya ventiliruyemaya shchel [A hydraulically optimum ventilated gap]. Magazine of Civil Engineering. 2013. No.2(37). Pp. 35-40. (rus)
36. Nemova D.V., Yemelyanova V.A., Miftakhova D.R. Ekstremalnyye zadachi rascheta svobodnokonvektivnykh dvizheniy v navesnykh ventiliruyemykh fasadakh [Extremal calculation problems of free convective movements in ventilated facades]. Magazine of Civil Engineering. 2013. No.8(43). Pp. 4653. (rus)
37. Petrochenko M.V. Osnovy gidravlicheskogo rascheta svobodnokonvektivnykh techeniy v ograzhdayushchikh stroitelnykh konstruktsiyakh [Fundamentals of hydraulic calculation of free and convective current in building envelope]. Abstract of PhD thesis. Saint-Petersburg, 2012. 20 p. (rus)
38. Prays-list na alyuminiyevuyu podkonstruktsiyu U-kon [Price list on an aluminum substructure U-kon] (03.12.2013.) (rus)
39. Nemova D. V., Olshevskiy V. Ya., Tseytin D. N.Gidrostatika termogravitatsionnoy konvektsii v vertikalnom kanale [Hydrostatics of heat-gravitational convection in the vertical channel]. St. Petersburg State Polytechnical University Journal. 2013. No.183. Pp. 295-301. (rus)
40. Olshevskiy V.Y. Rezultaty eksperimentalnogo opredeleniya skorostey i raskhodov v ventiliruyemykh prosloykakh NVF [The results of the experimental determination of the velocity and expenditure in ventilated interlayers of ventilated suspended facades]: Master's thesis. St.Petersburg State Polytechnical University. Saint-Petersburg, 2014. (rus)
Full text of this article in Russian: pp. 53-66
