CC BY
104
строительная теплофизика и энергосбережение
Результаты исследований свойств навесных фасадных систем с вентилируемой воздушной прослойкой в рамках гранта РФФИ «Аэротеплофизика проницаемых тел в низкоскоростных воздушных потоках»
В.Г.Гагарин, С.В.Гувернюк, В.В.Козлов, П.В.Леденев, Е.Ю.Цыкановский
1. Введение
В течение 2008—2009 годов выполнялись работы по исследованию взаимовлияющих аэродинамических и теплофизических свойств навесных фасадных систем (НФС) с вентилируемой воздушной прослойкой. Данный класс задач предложено классифицировать, как аэротеплофизические. Постановка этих задач вытекала из практики эксплуатации и проектирования НФС. Работы в основном выполнялись за счет средств инвесторов строительства объектов, фирм, осуществляющих разработку и монтаж НФС, производителей минеральной ваты и др. Без финансирования этих организаций проведение указанных работ было бы невозможным. Большая роль при организации подобных планомерных исследований принадлежит контролирующим органам: ГУ «Центр Энлаком», ФГУ «ФЦС», ИГАСН, МосГосЭкспертиза, которые направляли на экспертизу в научно-исследовательские институты недостаточно проработанные проектные решения конструкций. Работы, выполняемые в рамках программы исследований РААСН, позволили суммировать конкретные результаты договорных работ для целей строительства. Полученный грант Российского фонда фундаментальных исследований (Грант РФФИ 08-08-13724) позволил обобщить полученные методы исследований и оформить их в виде статей с фундаментальными результатами. Несмотря на то, что финансирование со стороны РФФИ не превышало 20% от общего финансирования, работа в рамках этого гранта оказалась полезной для указанной цели обобщения.
В результате проведенного комплекса работ создана методическая база для определения внутренних течений и теплопередачи в воздухопроницаемых конструкциях НФС с учетом внешних ветровых воздействий. Изучен класс фундаментальных задач о взаимодействии эффективно несжимаемых турбулентных воздушных потоков с проницаемыми телами, имеющими конструктивный, волоконно-пористый и сыпучий типы проницаемости.
В данной статье приведены основные фундаментальные результаты, полученные в результате вы-
полненного комплекса работ. Эти результаты разделяются по темам, Каждая из которых отражена в соответствующем разделе.
2. Аэродинамические воздействия на облицовку НФС зданий
С точки зрения аэродинамики, здания представляют собой типичные плохообтекаемые объекты. Аэродинамические характеристики как здания в целом, так и значение скорости и распределение давления внутри вентилируемой прослойки оказывают существенное влияние на функционирование фасадной системы и должны быть учтены на стадии проектирования НФС. Силы, действующие на облицовку навесной фасадной системы, определяются разностью внешнего и внутреннего давлений. Внешнее давление на здание определяется на стадии проектирования здания при определении ветровой нагрузки. В силу малости относительной площади просветов между элементами облицовки, внешнее давление не зависит от внутреннего течения в прослойке. Однако внутреннее давление в прослойке может существенно зависеть от распределения внешнего давления и от интенсивности внутреннего течения воздуха в прослойке.
Средняя скорость ветрового потока и(х) в приземном слое, толщина которого более 300 метров, возрастает с высотой z над уровнем подстилающей поверхности. Наиболее известен, степенной закон изменения средней скорости ветра по толщине атмосферного пограничного слоя:
ит ) = и0
( х
К2- 0 у
(1)
где, и — средняя скорость ветрового потока на высоте zQ, м/с, а показатель степени а зависит от типа местности и может изменяться в диапазоне 0,14—0,4.
Если известна средняя скорость Um(z), то можно вычислить среднюю ветровую нагрузку wm на наветренной стороне фасада по известной формуле аэродинамики:
строительная теплофизика и энергосбережение
где р — плотность воздуха, кг/м3.
Пересчет ветровой нагрузки на другую высоту осуществляется по формулам вида (1). Пульсаци-онная нагрузка на здание принимается пропорциональной средней ветровой нагрузке и определяется задаваемыми пульсационными характеристиками скорости настилающего ветра.
Течение с наветренной стороны здания характеризуется наличием нисходящих потоков в нижней части фасада, у подветренной стороны происходит сильное понижение давления. Возникающие возврат-но-циркуляционные зоны у подветренной и боковых сторон здания являются существенно переменными во времени, что приводит к дополнительным динамическим нагрузкам на ограждающие конструкции здания. Недостатком инженерных методик, например, представленных в СНиП «Нагрузки и воздействия», является отсутствие учета вторичных возмущений и нагрузок, которые могут возникать при отрыве потока от фасадов здания. Для определения пульсаций второго рода данные в нормативных документах отсутствуют, их можно определять только в результате решения задачи обтекания конкретных зданий методами численного или физического экспериментов. На конструкции НФС вторичные пульсации могут оказывать существенное воздействие, поэтому ими нельзя пренебрегать.
Разработана методика расчетов суммарных нагрузок, в том числе от вторичных пульсаций на облицовку НФС. Расчеты выполняются для двухмерной модели с использованием стандартной версии, так называемой, «высокорейнольдсовой модели к—е" (к — удельная кинетическая энергия турбулентных пульсаций, к = 3 I2/2, е — скорость диссипации турбулентной энергии, связанная с масштабом турбулентности А по формуле е Л = С к3/2, С = 0,164). Для проведения расчетов используется вычислительная технология пакета STAR-CD (метод контрольного объема, интерполяция конвективных членов по схеме QUICK, неявная схема шагов по времени, внутренний итерационный алгоритм PISO).
Расчеты нестационарного обтекания профилей конкретных зданий позволяют находить распределения средней и пиковой нагрузок по поверхности фасадов при различных направлениях ветра и определять характерные частоты колебаний ветровой нагрузки за счет образования крупных вихрей при обтекании здания. Эти расчеты позволяют определять координаты зон на периметре здания, в которых наблюдается максимальный ветровой отсос.
Пиковые нагрузки реализуются в окрестности углов здания. Наряду с аэродинамическим воздействием в направлении ветра, наблюдаются значительные переменные нагрузки поперек ветра.
Результаты расчетов сопоставлены с требованиями СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия». Показано, что пиковые значения местного ветрового отсоса могут на 50%-100% превышать данные, полученные в соответствии с рекомендациями СНиП.
Для совершенствования методик расчета потребовалось детальное исследование основных трехмерных эффектов, которые необходимо учитывать при определении ветровых нагрузок на фасады сложной конфигурации. С этой целью численно исследовано обтекание модельного плохообтекае-мого тела в виде полуцилиндра. Основное внимание уделено сравнению двумерных и трехмерных режимов обтекания без учета иных усложняющих факторов (сдвига профиля скорости набегающего потока и т.д.).
Несмотря на простоту конструкции, полуцилин-дрическое тело обладает рядом важных с аэродинамической точки зрения геометрических особенностей, типичных для современных архитектурных решений. В нем присутствуют протяженные криволинейные поверхности и плоскости, точки отрыва потока на которых не фиксированы; острые кромки, являющиеся генераторами крупных вихрей и повышенной турбулизации потока. Простота геометрической конфигурации позволяет легко анализировать картины течений и сравнивать результаты различных расчетов между собой и с экспериментальными данными. Таким образом, полуцилиндрическое тело является хорошим модельным представлением современных высотных сооружений и интересным объектом исследования.
По результатам численного моделирования были определены и построены: поля давлений (рис. 1); поля скоростей (рис. 2); распределения коэффициентов давления по периметру тела (рис. 3, 4); а также распределения амплитуд пульсаций давления по периметру тела, амлитудно-частотный спектр колебаний коэффициента сопротивления и др.
Трехмерное обтекание, так же как и в случае двумерной постановки задачи, является нестационарным, отрывным, с образованием характерных квазипериодических крупномасштабных вихревых структур в следе за телом. Главное отличие трехмерного от двумерного течения заключается в наличии вертикальных восходящих и нисходящих потоков, которые оказывают существенное влияние на величины аэродинамических характеристик объекта.
В случае, когда тело «зажато» между параллельными ограничивающими плоскостями г = 0
строительная теплофизика и энергосбережение
Рисунок 2. Последовательные мгновенные векторные поля скорости в срединном горизонтальном сечении колонны т = Н/2.
строительная теплофизика и энергосбережение
Рисунок 3. Распределение коэффициента давления по периметру сечения; трехмерный расчет полуцилиндра с зажатыми нижней и верхней гранями.
и z = H, распределения коэффициента давления Cp по периметру горизонтальных сечений практически совпадают с аналогичным распределением, полученным с использованием двумерных моделей независимо от высоты выбранного сечения полуцилиндрического тела и угла атаки набегающего потока (рис. 3). Сравнение с данными эксперимента показало хорошее согласование в областях положительного давления и значительное превышение по абсолютной величине расчетных значений Cp над экспериментальными в областях отрицательного давления (рис. 3).
Полученные результаты свидетельствуют о том, что решение трехмерной задачи в данной постановке практически ничем не отличается от двумерного моделирования обтекания полуцилиндрического профиля. Таким образом, экранирующая плоскость на высоте колонны данного удлинения H/R = 6 практически полностью подавляет главный трехмерный эффект обтекания — вертикальные токи. При этом срыв крупных вихрей с поверхности колонны происходит синхронно в сходственных точках поперечных сечений по всей высоте колонны, что и обеспечивает высокое разрежение в отрывной области на подветренной стороне тела. Меньшие значения разрежения, полученные в экспериментах можно объяснить потерей устойчивости режима синхронного вих-реобразования при больших удлинениях тела: в эксперименте было H/R > 20. Следует ожидать, что и в расчетах с более удлиненными телами (H/R > 6) также наступит переход к асинхронным механизмам срыва крупных вихрей, что приведет к снижению величины отрицательных нагрузок на подветренной стороне тела и к лучшему согласию данных с экспериментами [3]. С другой стороны, представляет интерес получение экспериментальных данных для удлинений тела на уровне H/R = 6.
В случае, когда верхняя грань полуцилиндрического тела свободно размещена в потоке, распределение коэффициента давления по периметру существенным образом отличается от аналогичного двумерного (рис. 4). Имеется выраженная зависимость от высоты.
Первый «концевой эффект» состоит в том, что на расстоянии R от верхнего окончания полуцилиндрического тела происходит падение значения коэффициента давления в области торможения. Объясняется это постепенным, по мере приближения к верхней грани, превалированием вертикальных токов над горизонтальными, т.е. в области «концевого эффекта» обтекание объекта, в основном, осуществляется через его верхнюю грань, а не по боковым поверхностям. Следует также отметить, что распределения значений коэффициента давления по поверхности верхней грани полуцилиндрического тела близки к распределениям по боковым поверхностям с подветренной стороны этого тела.
Хотя с наветренной стороны зона «концевого эффекта» распространяется не более, чем на расстояние R ниже высоты полуцилиндрического тела (Н), в теневой области ее влияние значительно шире. Так, в случае расположения полуцилиндрического тела, как показано на рис. 4а, влияние «концевого эффекта» на распределения значений аэродинамических характеристик по подветренной стороне наблюдается вплоть до его нижнего окончания. При положении модельного тела, как показано на рис. 4б, влияние свободной верхней грани распространяется только лишь до середины высоты полуцилиндрического тела (Н), что объясняется уменьшением поперечного по отношению к направлению набегающего потока размера тела. На участке высот от Н/2 до (H—R) (зона I) наблюдается непрерывное снижение максимальных абсолютных значений коэффициента давления со значений, соот-
264 3 2010
строительная теплофизика и энергосбережение
Рис. 4. Распределение коэффициента давления по периметру сечения; трехмерный расчет полуцилиндра со свободной верхней гранью.
ветствующих результатам двумерного моделирования до значений в области «концевого эффекта». На протяжении же высоты объекта от 0 до Н/2 (зона II) имеет место хорошее согласование распределений с аналогичными результатами двумерных расчетов. В целом изменение коэффициента давления в I и II зонах достигает 1,7—2 раза.
Очевидно, что положение сечения Ь, в котором происходит разделение течения на зоны I и II, зависит от ряда факторов, в частности — от высоты здания, от размера отрывной области с теневой стороны препятствия. Для положения полуцилиндрического тела в соответствии с рис. 4а размеры отрывной области оказались настолько велики, что зона I распространилась вплоть до нижней ограничивающей плоскости.
Второй из рассмотренных случаев ориентации тела по отношению к набегающему потоку (рис. 4) позволил количественно оценить зону влияния «концевого эффекта» с подветренной стороны (протяженность зоны I). Она составила около четырех поперечных размеров тела.
Главными результатом проведенных методических исследований является следующее:
— определено влияние концевого эффекта на формирование распределений давления по поверхности модели высотного сооружения;
— установлено соответствие распределений давления по периметру тел при двумерном и трехмерном методах моделирования;
— показано, что по результатам двумерного моделирования можно провести оценку сверху возможных ветровых воздействий.
Разработанный метод расчета и полученные закономерности распределения давления по поверхности фасада позволяют уточнить методику определения расчетной ветровой нагрузки на элементы фасада и используются при исследовании движения воздуха в воздушной прослойке.
3. Движение воздуха в вентилируемой воздушной прослойке НФС
Создана методика расчета внутреннего течения под действием неоднородного трехмерного распределения внешнего давления по проницаемой поверхности облицовки НФС. На рис. 5—6 представлены поля давления и направлений вектора скорости внутри воздушного зазора вокруг прямоугольной башни квадратного поперечного сечения. Результаты расчета представлены в виде развертки воздушного зазора около фасадов на плоскость.
Наблюдается существенное влияние величины гидравлических сопротивлений движению воздуха в зазоре. Важный вывод состоит в том, что перекрывая сечение протока зазоров в окрестности углов башни можно существенно влиять на величину внутренних градиентов давления и тем самым — на величину силового воздействия на облицовку НФС.
Выполнено аналитическое рассмотрение движения воздуха в прослойке с периодическими разрывами под действием внешнего перепада давления вдоль фасада с постоянным градиентом давления. Такому условию удовлетворяет и движение воздуха под воздействием разности температур (при достаточно быстром приближении температуры воздуха в прослойке к своему среднему значению) и движение воздуха вследствие ветрового воздействия на фасад (если это воздействие с удовлетворительной точностью описывается постоянным градиентом давления). Градиент давления воздуха вдоль фасада создает некий градиент давления внутри прослойки в общем случае не равный градиенту снаружи. Таким образом, возникает разница давлений воздуха внутри прослойки и снаружи на протяженных участках фасада, на которых при наличии зазоров в облицовке неминуемо будет происходить воздухообмен. При разработке математической модели приняты следующие предположения:
3 2010 265
строительная теплофизика и энергосбережение
\\ЧЧ\\\ NN4444 \ }Л\\\\ ^
ш \\\\\\ 1\\\\ \ \\\\ \ \\\\ \
ьиш \\\\ \
Ш
,V\\\\\
Гшш
шш
уу у 'у у у / \ \ учу^
0.5214
04842
04470
0.4098
0.3726
0.3354
0.2982
0.2610
0.2238
0.1866
0.1494
0.1122
0.7497Е-01
0.3776Е-01
0.5556Е-03
Рис.5. Результаты моделирования для изолированных углов развертки.
а) поле давления на внешней стороне фасада;
б) поле давления внутри воздушной прослойки;
в) поле скорости внутри воздушной прослойки.
строительная теплофизика и энергосбережение
в
297.6
250.5
203.3
156.1
108.9
61.74
14.56
-32.61
-7Э.7Э
-127.0
-174.1
-221.3
-268.5
-315.7
-362. Э
В
24.86 23.37 21.88
20.39 18.89
17.40 15.91 14.42 12 93 11 44 9.944 3.452 6.961 5.469 3.978
0.5368
0.4985
0.4602
0.4219
0.3836
0.3453
0.3070
0.2687
0.2304
0.1921
0.1538
0.1155
0.7722Е-01
0.3892Е-01
0.6166Е-03
Рисунок 6. Результаты моделирования для полностью проницаемых углов развертки.
а) поле давления на внешней стороне фасада;
б) поле давления внутри воздушной прослойки;
в) поле скорости внутри воздушной прослойки.
строительная теплофизика и энергосбережение
• Градиент давления вдоль фасада — постоянен и известен.
• При движении по не разветвляющимся участкам воздух испытывает сопротивление движению пропорциональное квадрату скорости движения воздуха.
• Воздух является несжимаемым газом.
• Потери на смешивание воздушных струй в местах разрывов экрана не учитываются.
Двигаясь по прослойке, воздух на начальном участке набирает скорость, так как происходит приток воздуха в прослойку через перфорацию экрана. Затем достигается максимум скорости, после чего скорость движения воздуха начинает снижаться, воздух покидает прослойку через зазоры в облицовочном экране.
Движения воздуха в прослойке с перфорированным экраном характеризуется тремя участками, которые периодически повторяются. На каждом из этих участков возможно описание движения воздуха известными из аэродинамики формулами.
Участок первого типа — это воздушная прослойка между зазорами облицовки экрана. Характеристикой этого участка является скорость движения воздуха в прослойке, которая постоянна на всем его протяжении, но различна для разных участков.
Участок второго типа — это зазор в экране от наружного воздуха до воздушной прослойки. Характеристикой этого участка является скорость движения воздуха через перфорацию, которая также постоянна на всем его протяжении, но различна для разных участков.
Участок третьего типа — это область слияния потока воздуха движущегося по прослойке и потока воздуха из зазора в экране. На этом участке должен соблюдаться закон сохранения количества воздуха, который будет заключаться в равенстве нулю суммы потоков в узле.
Описанная схема проиллюстрирована на рис. 7, где участки первого типа заменены вертикальными отрезками, участки второго типа — горизонтальны-
ми отрезками, а участки третьего типа — точками, которые далее называются «узлами». Участку каждого типа соответствует свое уравнение, вместе они составляют систему:
P - p =__Р
i i-1 ~ г проел
■ ^о • v2 - Р-
проел
■ g • l
1 2
Pi - P0 + (Рн • g • gradp) • xi = 2 Рпроел ■ ^0н ■ v(i)н
d • (vi - V-1) = -§• Vi i-1)н
(3)
Система разностных уравнений (3) в общем виде решается только численно. Однако, в большинстве приложений, именно аналитические решения, пусть даже и приближенные являются предпочтительными, так как дают ряд преимуществ при анализе конструктивных решений. Поэтому уравнения математической модели из разностных преобразуются в дифференциальные. Получаемые при этом непрерывные решения будут аппроксимировать ступенчатые решения характерные для разностных уравнений, следовательно, будут носить приближенный характер.
Переход к дифференциальным уравнениям осуществляется заменой разностей значений функций на соседних участках их производными:
P - P
P'= lim 1 , /
'/,^0 i/
'И
= lim
/н-0
-1
7H
(4)
Очевидно, что такой переход правомерен только при достаточно малых значениях параметра 1/Н. Требования к малости параметра определяются требованиями к точности вычислений. Для решаемых задач удовлетворительная точность достигается при наличии 7 разрывов экрана на протяжении всей прослойки.
После подстановки ун из третьего уравнения системы (3) во второе получается следующая система дифференциальных уравнений:
Рисунок 7. Схематическое изображение участков движения воздуха.
Рисунок 8. Схематическое изображение потоков воздуха через разрывы экрана.
строительная теплофизика и энергосбережение
Р' = --
2
2| 1 пРосл ''U ' I" проел
■ko ■v2 - Рп
• g
5 d • I
P - P0 + (рн • g + gradP) • x
(5)
2 рпроел ^Uh
Приближенное решение данной системы уравнений позволило разработать инженерную методику расчета распределения скорости движения воздуха по высоте прослойки. Для примера на рис. 9 представлено распределение скорости по высоте прослойки толщиной 0,06 м для фасада высотой 8 м, с шириной зазора между плитками 6 мм.
Созданный инженерный метод расчета движения воздуха в прослойке вентилируемого фасада с воздухопроницаемым экраном позволяет установить влияние различных факторов, как на характер движения, так и на величину скорости. Характер движения полностью определяется геометрическими параметрами прослойки — высотой, толщиной, проницаемостью экрана и т.д. Градиент давления вдоль фасада, вызывающий движение воздуха в прослойке, задает только масштаб скорости. Метод расчета позволяет указать подобные между собой воздушные прослойки, с точки зрения характера движения. Это позволит классифицировать конструкции по подвижности воздуха, обусловленной различными конструктивными факторами. В свою очередь такая классификация значительно упростит проектирование конструкций.
Созданные методы анализа воздушного режима прослойки позволяют скорректировать используемые методики расчета. Появляется возможность сравнения влияния на интенсивность движения воздуха в прослойке ветра и нагрева воздуха в прослойке.
0.9
/б> о \
' 0,6 \ \ t N
/ 0,5 s.'
/ 0,4
/ 0,3
/ 0,2
/ 0,1
0
-6
-4
-2
6
х, м
Рисунок 9. Зависимость скорости движения воздуха от координаты в прослойке.
4. Продольная фильтрация в волокнистом утеплителе НФС
С точки зрения строительной теплофизики расположение слоя теплоизоляции у наружной поверхности ограждающей конструкции обладает рядом преимуществ. Вместе с тем такое расположение пористой теплоизоляции предполагает решение ряда проблем, которые отсутствовали при применении традиционных конструкций, но являются актуальными для современных ограждающих конструкций. К таким проблемам относится продольная фильтрация наружного воздуха в теплоизоляционном слое и ее влияние на теплозащитные свойства конструкций.
Решающее значение в задаче определения характеристик течения внутри воздушной прослойки НФС и продольной фильтрации через теплоизоляционный слой оказывает ветровое воздействие. Обусловлено это прежде всего современными тенденциями в строительстве к увеличению этажности строительных сооружений. Высотность многих сооружений зачастую превышает 100м. Средняя скорость ветрового потока на такой высоте, согласно СНиП «Нагрузки и Воздействия», может составлять 22—25 м/с для ветрового района Ia (условия г. Москва).
В результате ветровых воздействий формируется переменное распределение внешнего давления по облицовке фасадов. В свою очередь, под действием градиентов внешнего давления возникает внутреннее течение в воздушном зазоре навесных конструкций и в слое утеплителя.
Важным методическим моментом при определении характеристик течения внутри воздушной прослойки НФС является возможность определять внешнее давление независимо от внутреннего течения в прослойке. Это обусловлено малостью относительной площади зазоров между элементами облицовочного слоя — менее 1%. Столь малая проницаемость не оказывает заметного влияния на распределение внешнего давления. В этом смысле задачи внешней аэродинамики здания со сплошным или проницаемым фасадом тождественны. При этом для определения внутренних течений в воздушной прослойке НФС требуется знание распределения внешнего давления.
Движение воздушной среды около тела описывается системой уравнений Рейнольдса, замыкаемых с помощью дополнительных дифференциальных соотношений двухпараметрической диссипатив-ной модели турбулентности. В настоящей работе расчеты выполнены с использованием модели турбулентности Ментора. Численное решение осуществлялось методом контрольного объема, интерполяция конвективных членов по схеме MARS, ите-
строительная теплофизика и энергосбережение
рационный алгоритм SIMPLE. Задача решалась в двумерной стационарной постановке.
По результатам численного моделирования получены векторные поля скорости течения внутри воздушной прослойки НФС и теплоизоляционного материала. Скорость потока в воздушной прослойке НФС в среднем составила 1—3 м/с, в теплоизоляционном слое — 0,001-0,003 м/с. Наличие даже малой скорости в слое утеплителя может серьезно повлиять на теплофизические характеристики ограждающей конструкции. Таким образом, установлено наличие продольной фильтрации в теплоизоляционном слое НФС.
Характеристики теплозащиты конструкции в этом случае могут быть получены путем расчета температурного поля, причем решаемое уравнение должно учитывать перенос теплоты фильтрацией воздуха.
Уравнение теплопроводности, учитывающее перенос теплоты фильтрацией воздуха, в общем случае имеет вид:
с«Уо V" = div(-Xgradf - cBGct) dz
(6)
X ^ + Х —-с • G -iUo "Эх2 У ду2 в с ду ■
(6а)
4
Поток воздуха
К Облицовка
У <
Воздушная прослойка
—v—v—V v—v—
^—v— Утеплитель
4 44
4
"За 4 4 ¿а
4 4
44 4« 4,
Стена
vx
с — удельная теплоемкость воздуха, Дж/(кг °С) (св= 1006 Дж/(кг°С));
см — удельная теплоемкость материала, Дж/(кг°С); Сс — плотность потока воздуха через конструкцию, кг/(м2 с);
у0 — плотность материала в сухом состоянии, кг/м3.
В случае стационарного одномерного переноса теплоты в слое утеплителя уравнение (6) принимает вид:
Это уравнение решается численно по программе для ПЭВМ. Уравнения (6) и (6а) является уравнением теплопроводности с добавкой, стоящей в скобках в правой части, представляющей собой плотность потока теплоты, переносимой перемещающимся воздухом. Выражение для этого потока легко может быть получено из общих соображений. Переносимая воздухом плотность потока теплоты равна теплоемкости воздуха, умноженной на его температуру и на плотность потока воздуха.
В рассматриваемой постановке плотность потока воздуха через конструкцию принимается величиной, постоянной по координатам и по времени (стационарной). В этом случае через одну из границ участка конструкции поток воздуха входит
Рисунок 10. Схема участка стены с НФС, используемая для расчета влияния продольной фильтрации на теплозащиту.
в теплоизоляционный слои, а через другую — выходит. Воздух перемещается вдоль фасада, внутри воздушного зазора и в утеплителе под действием градиентов давления, которые возникают при воздействии ветрового напора. Количественное определение этих градиентов давления воздуха является задачей аэродинамики здания. По своей величине скорости движения воздуха, вызванные ветровым напором вдоль фасада здания, в воздушном зазоре и в утеплителе, отличаются на порядки.
Так, если для движения воздуха вдоль фасада характерны скорости в несколько метров в секунду, то для соответствующего движения воздуха в воздушном зазоре — в несколько сантиметров в секунду, а для движения воздуха в утеплителе — в несколько сантиметров в минуту. Поэтому при рассмотрении проблем внешней аэродинамики здания чаще всего не учитывается движение воздуха в воздушном зазоре, а при рассмотрении проблем движения воздуха в воздушном зазоре не учитывается движение воздуха в утеплителе. Но даже сравнительно небольшое движение воздуха в утеплителе способно переносить теплоту, количественно превышающую тепловые потери конструкции без фильтрации.
Введенная величина С^ отличается от общепринятой воздухопроницаемости Э размерностью (представляет количество воздуха в секунду, а не в час). Эти величины связаны соотношением: Э = 36006 .
с
Плотность потока воздуха через конструкцию Сс, входящая в уравнение (2), определяется формулой:
G, =
АР
3600 • | 2/?и вм +
АР
Т
1
3600
2R,.
I
■ (7)
где / — длина участка конструкции, по которому движется воздух, м;
АР — разность давлений на участке конструкции, вызывающая фильтрацию воздуха, Па;
АР// — градиент давления воздуха в теплоизоляционном слое конструкции, Па/м;
/' — коэффициент воздухопроницаемости теплоизоляционного материала, кг/(м ■ ч • Па);
строительная теплофизика и энергосбережение
1?и вм — сопротивление воздухопроницанию ветрозащитной пленки, м2 • ч • Па/кг;
3600 с/ч — размерный коэффициент, связанный с переходом от часов в коэффициенте воздухопроницаемости к секундам в плотности потока воздуха.
Если поток теплоты через конструкцию при отсутствии продольной фильтрации воздуха будет составлять величину О0 Вт/м, то при наличии продольной фильтрации в конструкции поток теплоты через нее будет составлять величину Оф Вт/м. Для характеристики влияния фильтрации воздуха на теплозащитные свойства конструкций предлагается ввести «коэффициент теплотехнического влияния фильтрации» в соответствии со следующим соотношением:
'Ф
О, _ СФ
О,
Ф
%?
(8)
где ^о"Р, — приведенные сопротивления
теплопередаче фрагмента конструкции без учета продольной фильтрации и с учетом продольной фильтрации соответственно, м2 оС/Вт.
Определенное из расчета значение коэффициента Гф позволяет рассчитать теплозащитные свойства фрагмента конструкции при учете продольной фильтрации. Влияние продольной фильтрации воздуха на теплоперенос рассмотрено на примере межоконных простенков, поскольку межоконные простенки, даже при отсутствии фильтрации, характеризуются пониженным значением приведенного сопротивления теплопередаче из-за наличия оконных откосов. В то же время в некоторых зданиях площадь простенков между окнами по фасаду составляет значительную долю от площади стен.
Температурные поля, полученные для межоконного простенка без и с учетом продольной фильтрации представлены на рис. 11, 12. Сопротивление
теплопередаче рассматриваемой конструкции без учета теплотехнической неоднородности и продольной фильтрации составило ^ = 3,99 м2 °С/Вт. Приведенное сопротивление теплопередаче, с учетом теплотехнической неоднородности фрагмента, но без учета продольной фильтрации составило: Ко"Р = 2,76 м2 °С/Вт. По результатам расчета поток теплоты через рассматриваемый участок конструкции при отсутствии фильтрации воздуха составляет: О = 17,4 Вт/м. Поток теплоты через рассматриваемый участок конструкции с учетом продольной фильтрации увеличился по сравнению с предыдущим вариантом и составил: Оф= 20,1 Вт/м. Рассчитанное по формуле (8) значение коэффициента теплотехнического влияния фильтрации составило Гф = 0,87. Приведенное сопротивление теплопередаче конструкции с учетом фильтрации, составило RoПpф = 2,39 м2 °С/Вт, что составляет от условного сопротивления теплопередаче долю, равную г • Гф = 0,602. Теплопотери через конструкцию вследствие продольной фильтрации увеличились на 13 %. Подобные расчеты показали, что увеличение теплопотерь вследствие продольной фильтрации могут достигать 60%.
Разработанный метод расчета позволяет проводить оценку теплозащитных свойств конструкций с учетом фильтрации наружного воздуха. Описанный вариант метода предусматривает расчет наихудшей, с точки зрения теплопотерь, конструкции здания. Недостатком данного способа оценки влияния продольной фильтрации является использование конкретного фрагмента ограждающей конструкции.
Был разработан также инженерный метод оценки теплозащитных свойств произвольного фрагмента стены с НФС с вентилируемой воздушной прослойкой конструкций с учетом фильтрации наружного воздуха. В качестве основы математической модели было принято, что перенос теплоты в теплоизо-
Рисунок 11. Температурное поле в горизонтальном сечении межоконного простенка без учета влияния продольной фильтрации
Рисунок 12. Температурное поле в горизонтальном сечении межоконного простенка с учетом влияния продольной фильтрации при значении плотности потока воздуха
Э = 11,5 кг/(м2 ч)
строительная теплофизика и энергосбережение
ляционном слое конструкции описывается уравнением (6а) с потоком воздуха по уравнению (7). Эти уравнения были дополнены уравнением переноса теплоты в стене, на которую крепится НФС и уравнениями граничных условий.
Так как целью решения системы уравнений математической модели является нахождение сопротивления теплопередаче выбранного фрагмента конструкции, то фактически требуется найти поток теплоты, проходящий через этот фрагмент. В свою очередь, для нахождения потока теплоты не требуется знание распределения температуры по всей конструкции (которое получается в результате точного решения), а достаточно, например, знания распределения температуры по границе конструкции с внутренним воздухом. Более того, даже распределение температуры не важно, достаточно средней температуры на внутренней границе. Такая информация об изучаемой конструкции в принципе может быть найдена без полного решения системы уравнений математической модели.
Для определения потока теплоты через конструкцию, делается переход от распределенной по произвольному отрезку [(х, 0,); (х, I)], параллельному оси О^, температуры t к средней температуре на этом отрезке f . Для этого все уравнения математической модели (включая граничные условия) усредняются. Т.е. интегрируются по у от 0 до / и делятся на I. При этом интегралы от математических выражений приводятся к математическим выражениям от интегралов. В качестве примера такой операции проведено интегрирование обеих частей уравнения (6а) для произвольного х:
1 л- 1 1 г _ (И, -
' ] ' I У ду^У ~7 Г" с ' ■ О
Интегрирование (9) приводит к уравнению:
Эх2
(10)
я = ■
1 + с°' °с'8 Гз/?2 ■ ™ ° • ° 2
3//?п 1 "
+ ЪЯнЯут + Яут
] ■ (11)
1 + -
■1-Яп 1
2 +ЗЯнЯут + Яут2
]. (12)
где /?0 — сопротивлении теплопередаче ограждающей конструкции без учета влияния продольной фильтрации, м2 °С/Вт;
/?н — сопротивлении теплопередаче у поверхности утеплителя в вентилируемой прослойке, м2 °С/Вт;
— термическое сопротивлении слоя утеплителя, м2 °С/Вт;
/ — длина выбранного фрагмента ограждающей конструкции, м.
Методика инженерной оценки теплозащитных свойств стены с НФС с учетом продольной фильтрации основана на использовании уравнения (12). Эта методика может использоваться в нормативных документов.
Для проведения расчетов по разработанным методикам были проведены экспериментальные исследования воздухопроницаемости волокнистых утеплителей, используемых в НФС.
В качестве основного закона воздухопроницаемости, принятого при проведении экспериментальных исследований было принято известное уравнение для течения несжимаемой жидкости в пористой среде при отклонении от закона Дарси:
в = 1 ■ АР"/8,
(13)
Из решения уравнения (10), в предположении, что зависимость /(х, /) от х является линейной, получается выражение для плотности потока теплоты через фрагмент конструкции:
Из последнего уравнения следует выражение для сопротивления теплопередаче фрагмента ограждающей конструкции с учетом продольной фильтрации:
где в — расход воздуха, проходящий через образец, кг/(м2 ч);
АР — перепад давлений на образце. Па;
8 — толщина образца, м;
п — показатель режима фильтрации изменяется от 0,5 при турбулентном режиме до 1,0 при ламинарном режиме;
/' — коэффициент воздухопроницаемости материала, кг/(м • ч • (Па)п).
Для проведения экспериментов использовалась традиционно применяемая для подобных исследований установка. Результаты исследований обрабатывались таким образом, что определялись оба параметра, характеризующих воздухопроницаемость волокнистых утеплителей, применяемых в НФС — / и п. Полученные результаты представлены на рис. 13.
Важный научный результат полученных результатов заключается в том, что закон фильтрации воздуха в утеплителе может отличаться от закона Дарси, причем это отличие возрастает при уменьшении плотности материала. С практической точки зрения, полученные параметры воздухопроницае-
строительная теплофизика и энергосбережение
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
з
Плотность, кг/м
----каменная вата - стекловолокно вдоль волокон
--стекловолокно поперек волокон
Рис. 13. Зависимость коэффициента воздухопроницаемости, I , кг/(м • ч • Па") минеральной ваты от плотности, с , кг/м3.
мости материалов могут быть использованы при оценке влияния продольной фильтрации на теплозащиту НФС.
5. Влажностный режим в воздушной прослойке
В методике расчета влажностного режима стен с вентилируемым фасадом необходимо учитывать особенности, которые нехарактерны для других ограждающих конструкций и создаются наличием воздушной прослойки. Следует отметить, что методика СНиП вообще не предусматривает расчет таких конструкций. Методы расчета влагообмена в вентилируемой воздушной прослойке, которые были разработаны до войны для расчета бесчердачных кровель, стен зданий с влажным и мокрым режимами и т. д., не учитывают отмеченных особенностей и содержат ряд существенных ограничений.
Воздух, движущийся по прослойке снизу вверх, переносит вдоль стены теплоту и влагу, что приводит тепловлагообмену воздуха с утеплителем в прослойке и к изменению его температуры и влажности с высотой. Таким образом, разным зонам по высоте стены соответствуют различные граничные условия влагообмена, а значит, и влажностный режим стены будет меняться с высотой. Это является первой отличительной особенностью.
Второй особенностью расчета влажностного режима НФС с воздушной прослойкой является расположение возможной зоны конденсации вне расчетного участка стены. При грамотном проектировании вентилируемых фасадов единственным местом возможной конденсации являются облицовочные элементы (плитка и элементы подконструк-ции). Традиционно они не входят в расчетную схему, но, в данном случае, все же являются частью конструкции, и их влиянием на влажностный режим нельзя пренебречь.
Для исследования влагопереноса требуется знание скорости движения и температуры воздуха в прослойке. Так как влагоперенос практически не влияет на эти характеристики, их можно находить отдельно по методике описанной в п.3.
Математическая модель влагопереноса формулируется для отопительного периода, так как в ней заложено поступление теплоты из стены в воздушную прослойку. Полагается, что наружный воздух заходит в воздушную прослойку через нижние продухи, имея расчетную температуру и относительную влажность наружного воздуха. Он поднимается по воздушной прослойке и выходит через верхние продухи. В процессе подъема повышается температура воздуха и изменяется его относительная влажность, которая монотонно изменяется по всей высоте прослойки. При этом снижается поток влаги выходящей из утеплителя в прослойку. При повышении влажности воздуха в прослойке она может достичь критического значения, после которого начнется выпадение конденсата на облицовке и под-конструкции. Причем относительная влажность воздуха в прослойке при этом не обязательно будет равняться 100%, так как температура облицовки ниже, чем температура воздуха в прослойке. Принимается, что температура облицовки равна температуре наружного воздуха. Высота, на которой влажность воздуха в прослойке достигает критического значения называется высотой выпадения конденсата.
С учетом выбранных представлений записывается уравнение баланса влаги в элементарном объеме воздушной прослойки. Для удобства за характеристику количества влаги принимается парциальное давление водяного пара е. В уравнении баланса присутствуют три члена: поток влаги уходящий из воздушной прослойки через экран (облицовку) щнп, поток влаги переносимый движущимся воздухом, щ п,
дв
поток влаги приходящий в воздушную прослойку из конструкции, который зависит от парциального давления водяного пара в прослойке, щвп(епр).
Выражение для потока влаги уходящего из воздушной прослойки через экран имеет вид:
щп = (е - е )/R
н пр н н
(14)
Поток влаги, переносимой в прослойке движущимся воздухом, равен произведению градиента парциального давления водяного пара на коэффициент перевода парциального давления в содержание водяного пара в воздухе прослойки в г/м3 и на объем воздуха, переносимый через один погонный метр воздушной прослойки за единицу времени:
Ж
строительная теплофизика и энергосбережение
с/.е
пр
с/х
= 28573-
7,94
1+ 'пр 273
V • с/ с'е
• 3600 • V • с/
пр
273
с/х
(15)
Уравнение баланса влаги в элементарном объеме воздушного зазора получается суммированием всех потоков влаги (учитывая при этом направление движения).
28573-
\/. И сУе е — е
" * пр + —^-— = д^ (епр )
1 | *пр 273
■ (16)
Зависимость величины потока пара из утеплителя в прослойку Явп(епр) от парциального давления водяного пара в прослойке потребовались специальные исследования. В частности потребовалось найти приблизительное аналитическое решение задачи влагопереноса через стену конструкции, утепленную волокнистым утеплителем. Для получения такого решения задачи одномерного влагопереноса в стене являющейся двухслойной с наружным утеплением минераловатными плитами сделаны следующие упрощения:
• влагоемкость слоя минераловатных плит не оказывает существенного влияния на процесс влагопереноса;
• основной перепад температуры приходится на слой минераловатных плит;
• относительная влажность воздуха в порах материала основания находится в пределах 30%-65%;
• влажность материала основания зависит от относительной влажности воздуха в порах материала линейно;
• зона конденсации в рассматриваемой части конструкции либо отсутствует, либо расположена на наружной границе утеплителя;
• давление водяного пара на наружной границе ограждения изменяется в течение года по синусоиде со средним значением ен0 и амплитудой А.
Данные упрощения сделаны на основе имеющегося опыта расчетов как стационарного, так и нестационарного влажностного режима двухслойных ограждающих конструкций с наружным утеплением минераловатными плитами и на основании закономерностей сорбционного увлажнения строительных материалов. Благодаря сделанным предположениям можно от рассмотрения двухслойной ограждающей конструкции перейти к рассмотрению однослойной ограждающей конструкции (ос-
нования), находящейся при постоянной температуре. При этом характеристики слоя минераловатных плит перейдут в наружные граничные условия, т.е. наружное сопротивление влагоотдачи, И", станет равным сумме сопротивления паропроницанию слоя минераловатных плит плюс сопротивления паропроницанию облицовки фасада.
Одномерное уравнение вагопереноса для однослойной конструкции, при влажности, не превосходящей сорбционную, записывается в виде:
Эе
Э е
Эх ЦЭх2
(17)
Дополнительно записываются граничные условия третьего рода, описывающие влагообмен на поверхностях ограждений:
^- = ан(е-ен0 -Аяп(тт))
х=0
с/е . , ,
— = -ав (е-е.)
(18)
х=8
где ен0 — среднее за год значение давления водяного пара в прослойке; ц — паропроницаемость материала стены; бсн, ав — коэффициенты влагообмена у наружной и внутренней поверхностях конструкции соответственно.
Решение уравнений (17)-(18) и исследование этого решения привело к выводу о линейной зависимости плотности потока влаги а п(е ) от е :
^в 4 пр' пр
Я п(е ) = -к ■ е + я"
^в 4 пр' пр
(19)
где д0 — поток влаги в прослойку на уровне нижних продухов;
к — коэффициент, который находится на основании расчетов влажностного режима однослойной конструкции при двух значениях парциального давления водяного пара наружного воздуха.
С учетом формулы (19), уравнение баланса влаги в элементарном объеме воздушной прослойки (16) принимает вид:
с/е,
пр
с/х
+ епр = е2
(20)
где:
28573 v■d■RпЭK
_ ■ пп п у _ ___эк_
ен + ' Яо 2 — ------1-
-ЬС+1 ] + (21)
ЬК" +1 '
273
Начальным условием для уравнения (20) явля-
строительная теплофизика и энергосбережение
ется ер = ен при х = 0. Решение уравнения типа (20) имеет вид:
епр = е2 - (е2 - ен ) • ехр(—х/х2). (22)
Выражение для определения критической высоты воздушной прослойки получается из решения уравнения (22) относительно х при условии е = Е :
пр
Хкрит = -Х2 • |П
1 -
Ен (1 -фн)( • С + 1)
-к • ЯпЭКвн + • дп0
(23)
Получено также приближенное выражение для х
хкрит ~ 28573 •
V • ^ Ен (1 -фн]
1 +
273
-к • ен + Яо .
(24)
Полученное выражение (24) позволяет анализировать ьависимость в ысоты в ыпадения конденсата от различных па раметров климата и конструкции. Физически таких пархметров три. Высотв, со которой в воздушной прослойко начнется вы падение конденсдта на облицовке, прямо пропорционацина произв едонию объема воздуха, проходящего через один по гонный метр воздушной прослойки за один час , на удельную влагоемкость наружного воздуха! и обратнр прокороиональна уднли ному ното-ко водяногоэ пара из сте ны в прослойку. Знание нтой высоты позволяет оря проектировании фаснди принять конструктин^е мероприятия для обеспе-оения благоп риятногоэ вла>оностного режома ронст-р^кции.
Данная методика подготовлена для включения в нормативные документы.
6. Эмиссия волокон из волокнистого утеплителя НФС
В НФС для предполагаемого увеличения срока службы минераловатного утеплителя применяют ветрогидрозащитные пленки (мембраны), закрывающие поверхность утеплителя в воздушной прослойке. Одним из назначений этих пленок является предотвращение эмиссии волокон, которая может возникнуть вследствие движения воздуха в воздушной прослойке. Под эмиссией волокон имеется в виду отрыв волокон минераловатного утеплителя и вынос их в окружающее пространство. Такой отрыв волокон может происходить вследствие разрушения связующего в утеплителе, а также вследствие усталостных явлений, возникающих в волокнах утеплителя при их колебаниях под воздействием нестационарного потока воздуха в воздушной прослойке. В последнее время происходит отказ от использования ветрогидрозащитных пленок в конст-
рукциях НФС в силу ряда причин, основной из которых является горючесть этих пленок. Этим обстоятельством определяется актуальность исследования возможности и величины эмиссии волокон из минераловатного утеплителя в прослойке НФС.
При движении воздуха вдоль поверхности минеральной ваты на приповерхностные волокна действует аэродинамическая сила, вызывающая напряжения растяжения в сечении волокна и касательные напряжения в капельках связующего, которое закрепляет волокно в материале. Эти напряжения пропорциональны средней силе аэродинамического воздействия. В случае, когда целостность связующего нарушена, сохраняется сила сцепления волокон в материале, которая пропорциональна упругой силе контакта переплетенных волокон в слое материала и коэффициентам трения (сухого и вязкого).
Аэродинамическая сила содержит квазистационарную (среднюю) и пульсационную составляющие. Средняя составляющая аэродинамической силы пропорциональна некоторой степени средней скорости потока и. Пульсационная составляющая — связана с хаотическими турбулентными пульсациями, которые всегда присутствуют в потоке воздуха около шероховатой поверхности. Основной характеристикой турбулентных пульсаций скорости потока является их интенсивность, I, м/с, которая определяется выражением:
' = ]2 к Ь р ,
(25)
где к — энергия турбулентных пульсаций в единице объема, Дж/м3; р — плотность воздуха, кг/м3.
Частота турбулентных пульсаций изменяется в широком диапазоне спектра. Это может вызывать резонансные явления в упруго сцепленных волокнах, заставляя их вибрировать, что должно снижать средний коэффициент сухого трения. В целом, сила сцепления (сдвиговая прочность) в приповерхностном слое материала в условиях динамического воздействия турбулентных пульсаций должна быть значительно ниже, чем при статическом нагружении. В то же время, чем меньше силы сцепления волокон в материале, тем больше их эмиссия. Кроме того, под действием вибраций в волокнах материала и в связующем могут накапливаться усталостные повреждения, снижающие силу сцепления волокон. Суммарный вклад перечисленных эффектов пропорционален интенсивности пульсаций аэродинамической силы. Математическая модель процесса эмиссии волокон может быть сформулирована следующим образом.
строительная теплофизика и энергосбережение
Плотность потока эмиссии волокон описывается уравнением:
у = _ 1 вт = к рм ■1 • ра
А вх
ч
(26)
где j — плотность потока эмиссии волокон материала, кг/(м2 с);
m — масса исследуемого образца, кг; z — время, с;
А — площадь образца, обдуваемая потоком воз-
2
духа, м ;
Рм — плотность исследуемого материала, кг/м3;
— средняя сила аэродинамического воздействия воздуха на приповерхностные волокна, Н;
I — интенсивность турбулентных пульсаций, м/с;
— средняя сила сцепления волокон в материале, Н;
К — безразмерный параметр подобия, определяемый геометрическими, механическими и физическими свойствами структуры материала и параметров окружающей среды.
Средняя сила аэродинамического воздействия воздуха на приповерхностные волокна может быть выражена формулой:
= 0,5 • р • и02 • 5 • I • С ,
А 'г о х
(27)
где р — плотность воздуха, кг/м3; ио = и(Ьо), и — скорость потока воздуха в пограничном слое, м/с;
^о — толщина активного слоя, в котором происходит взаимодействие волокон с воздушным потоком, м; 5 — средняя толщина;
¿. — средняя длина волокон в материале, м; Сх — безразмерный коэффициент аэродинамического сопротивления.
Коэффициент сопротивления Сх в (27) может зависеть от числа Рейнольдса
Яе = р • и • 5/Ц.
(28)
При характерной толщине волокон 0,005^0,01 мм и скорости потока 0,3^30 м/с, для нормальных атмосферных условий рабочим диапазоном изменения числа Рейнольдса является интервал 0,1 < Яе < 20. Согласно экспериментальным данным для сопротивления цилиндров, коэффициент Сх в выражении (28) изменяется при 0,1 < Яе < 20 более чем в 10 раз и его можно аппроксимировать эмпирической степенной зависимостью:
С = 12,8 Яе-0,65.
(29)
Интенсивность турбулентных пульсаций в пограничном слое выражается формулой:
I = I •
(30)
где у — координата по нормали к поверхности материала, м;
I — длина пути перемешивания турбулентного потока, м.
Учитывая степенной характер распределения скорости в турбулентном пограничном слое
1
и I у ) п
и {Ь,
(31)
и формулу Прандтля для длины пути перемешивания
I = к • у, (32)
можно выразить интенсивность турбулентных пульсаций формулой:
I = (к • и)/п,
(33)
где п = 3+-7 — характеристика наполненности профиля турбулентного пограничного слоя; к = 0,4 — постоянная Кармана; Ь — характерная толщина пограничного слоя; и — скорость потока воздуха вне пограничного слоя.
Подстановка в (26) выражений (27), (28) и (33), а затем (29) и (31) после некоторых преобразований приводит к следующему выражению для плотности потока эмиссии волокон:
1 вт
I = - — — = Х'Рм ' А аг
35
(34)
где % — коэффициент эмиссии волокон, м/с, определяемый выражением:
X = К • и,
6,4 • к • р 5 • I
Ъ • п
х|А I • (Яе, )2,35 • [^
2,35
(35)
где — номинальное число Рейнольдса, при скорости и1 = 1 м/с.
Уравнение (35) имеет ясный, физически объяснимый вид, непосредственно показывающий пропорциональность потока эмиссии волокон скорости потока воздуха в степени 2,35. Коэффициент эмиссии волокон X зависит от ряда факторов, среди которых можно выделить: физико-механические характеристики вещества, из которого сделаны во-
строительная теплофизика и энергосбережение
локна, их относительные геометрические размеры, коэффициент изгибной упругости, коэффициент трения волокон друг о друга, характеристики связующего, относительная толщина приповерхностного слоя волокон, участвующих в эмиссии. Указанные факторы и изменение части из них во времени, например, под воздействием температуры и влажности, можно будет изучать в последующем.
На основании разработанной математической модели разработана методика экспериментального определения коэффициента эмиссии волокон. Разработана установка, в которой поверхность образцов обдувается потоком воздуха со скоростью превосходящей скорость движения воздуха в прослойке. В процессе эксперимента осуществляется контроль массы образцов. Снижение последней свидетельствует о наличии эмиссии волокон. По изменению массы образцов очевидным образом вычисляется коэффициент эмиссии волокон %. Перед испытанием образцов минераловатных плит они подвергаются искусственному состариванию путем циклического замораживания и оттаивания в увлажненном состоянии, а также пропариванием при повышенном давлении.
Проведенные эксперименты с минераловатны-ми плитами ряда производителей показали, что в основном эмиссия волокон практически отсутствует, однако для некоторых марок минеральной ваты эмиссия волокон ощутима.
Разработан метод оценки долговечности минера-ловатных плит по критерию эмиссии волокон. Этот метод заключается в расчете суммарной эмиссии волокон за срок службы фасада по известному значению коэффициента эмиссии волокон по формуле:
(Am
12
lz =Ылет
= N-X-Pm • 2
i=i
\2,35
Л
i 7
(36)
где и. и г. — среднемесячная скорость движения воздуха в воздушной прослойке фасада и продолжительность месяца соответственно.
Проведенные исследования позволяют разработать количественные критерии для формулирования требований к минераловатным изделиям по долговечности минераловатных изделий в конструкциях НФС.
7. Заключение
В результате выполненных работ решены фундаментальные задачи по созданию математических моделей и методов расчета параметров внутренних течений воздуха в воздушной прослойке, определяющих теплозащитные свойства и долговечность
НФС с проницаемым экраном. Большинство полученных результатов являются новыми. Основная часть расчетных методик доведена до инженерного применения.
В дальнейшем целесообразно проводить накопление экспериментальных данных по определению коэффициентов эмиссии волокон и параметров воздухопроницаемости минераловатных утеплителей. Обобщение этих данных следует проводить в связи с теплозащитными свойствами и долговечностью НФС.
Дальнейшую научную работу по данной тематике целесообразно проводить в направлении более полного учета влияния обтекания здания воздушным потоком на аэродинамический режим в воздушной прослойке.
Литература
1. Гагарин В.Г., Козлов В.В., Цыкановский Е.Ю. Расчет теплозащиты фасадов с вентилируемым воздушным зазором. / / Журнал АВОК. 2004, №2 стр. 20-26, №3 стр. 20-26.
2. Гагарин В.Г., Козлов В.В., Садчиков A.B., Мехнецов И.А. Продольная фильтрация воздуха в современных ограждающих конструкциях. Метод оценки теплозащиты стены здания с вентилируемым фасадом с учетом продольной фильтрации воздуха. // Журнал АВОК. 2005, №8 стр. 60-70.
3. Гагарин В.Г., Гувернюк С.В. О методике определения местных аэродинамических воздействий на элементы фасада здания. Применение компьютерных технологий моделирования двумерного обтекания фасада сложной конфигурации. / / Строй-профиль. 2007, №2, стр. 50-52, №3, стр. 58-62.
4. Гагарин В.Г., Козлов В.В. Математическое моделирование влажностного состояния воздушной прослойки для стены вентилируемого фасада. / / В кн. Фундаментальные и приоритетные прикладные исследования РААСН по научному обеспечению развития архитектуры, градостроительства и строительной отрасли Российской Федерации в 2007 году. Труды РААСН. М. — Белгород. 2008, том 2. стр.135-141.
5. Гагарин В.Г., Гувернюк С.В., Леденев П.В. О расчетном и экспериментальном определении ветровых нагрузок при проектировании зданий с навесными фасадными системами. / / Стройпрофиль. 2009, №3, стр. 15-16.
6. Козлов В.В. Курилюк И.С. Результаты экспериментальных исследований параметров воздухопроницаемости минеральной ваты. / / Academia. Архитектура и строительство. 2009, №5, стр. 500-503.
строительная теплофизика и энергосбережение
7. Гагарин В.Г., Гувернюк С.В. Математическая модель эмиссии волокон при обдуве воздушным потоком минераловатных изделий и ее использование при прогнозировании долговечности утеплителя вентилируемого фасада. / / РААСН, Вестник отделения строительных наук. №13, 2009, стр. 135-142.
8. Гувернюк C.B., Леденев П.В. О влиянии эффектов трехмерного обтекания на распределение ветровых нагрузок на фасады высотного здания / / РААСН. Вестник отделения строительных наук. №13, 2009, стр. 148-159.
9. Гагарин В.Г., Козлов В.В. Математическая модель и метод расчета скорости движения воздуха в прослойке вентилируемого фасада при учете зазоров в облицовочном экране. // В кн. Фундаментальные и приоритетные прикладные исследования РААСН по научному обеспечению развития архитектуры, градостроительства и строительной отрасли Российской Федерации в 2008 году. Научные труды РААСН. М. 2010, том 1. стр.360-374.
10. Г агарин В.Г., Гувернюк С.В., Леденев П.В. Аэродинамические характеристики зданий для расчета ветрового воздействия на ограждающие конструкции. / / Жилищное строительство. 2010, №1, стр. 7-10.
11. Гагарин В.Г., Козлов В.В. Метод инженерной оценки влияния продольной фильтрации в теплоизоляционном слое на теплозащиту стены с навесной фасадной системой с вентилируемой прослойкой. // В кн. Фундаментальные исследования РААСН по научному обеспечению развития архитектуры, градостроительства и строительной отрасли Российской Федерации в 2009 году. Научные труды РААСН. М. — Иваново. 2010, том 2. стр. 261-270.
Результаты исследований свойств навесных фасадных систем с вентилируемой воздушной прослойкой в рамках гранта РФФИ «Аэротеплофизика проницаемых тел в низкоскоростных воздушных потоках» Рассматриваются теплофизические свойства навесных фасадных систем, обусловленные аэродинамическими процессами в вентилируемой воздушной прослойке. Описаны результаты исследований скорости воздуха в воздушной прослойке, влаж-ностного режима воздушной прослойки, фильтрационных процессов в слое минеральной ваты, эмиссии волокон из слоя минеральной ваты.
Results of researches of properties of hinged facade systems with the ventilated air layer in the frame of the grant of the russian fundamental researches fund «Aerothermophysics of nontight bodies in low speed air streams» by V.G. Gagarin, S.V. Guvernjuk, V.V. Kozlov, P.V. Ledenev, E.J. Tsykanovsky The thermophysical properties of the hinged facade systems, caused by aerodynamic processes in a ventilated air layer are considered. Results of researches of speed of air in an air layer, moist behavior of an air layer, filtration processes in a layer of mineral wool, issue of fibers from a layer of mineral wool are described.
Ключевые слова: навесная фасадная система, воздушная прослойка, скорость движения воздуха, температура, фильтрация, воздухопроницаемость, влажностный режим, эмиссия волокон.
Key words: hinged facade system, an air layer, speed of movement of air, temperature, filtration, air permeability, moist behavior, issue of fibers.
