CC BY
107
УДК 697.1
П. В. Яковлев, Ю. А. Аляутдинова, Е. А. Горбанева
РОЛЬ АРХИТЕКТУРЫ ПОМЕЩЕНИЙ В ФОРМИРОВАНИИ ИХ МИКРОКЛИМАТА
Введение
Основными при конструировании светопрозрачных конструкций являются вопросы архитектуры, освещенности помещений, учета потерь тепла в холодный период года или теплопри-токов - в теплый [1, 2]. Существенно меньшее внимание уделяется таким характеристикам микроклимата помещений, как скорость естественной циркуляции воздуха и неравномерность температурного поля в объеме помещения. Однако теоретические и экспериментальные исследования показывают, что учет этих факторов необходим, и прежде всего в помещениях со значительной высотой - актовых, концертных, спортивных залах, бассейнах и т. п.
Даже современные светопрозрачные конструкции имеют существенно меньшее термическое сопротивление по сравнению с сопротивлением ограждений, что отражено в СНИПах и логически обусловлено их основным назначением. Разница термических сопротивлений приводит к неравномерности температурного поля ограждающей поверхности со стороны помещения. Отопительные приборы, имеющие высокую температуру поверхностей, в свою очередь усиливают эту неравномерность. В результате в помещении преобладают два потока: нисходящий поток воздуха по остекленной поверхности и восходящий - у отопительных приборов.
Скорость этих свободноконвективных потоков определяется величиной соответствующего значения числа Рэлея. Учитывая, что число Рэлея пропорционально температурному напору и высоте поверхности в третьей степени, можно определить основные факторы, влияющие на интенсивность каждого из потоков. Прежде всего, это высота остекленных поверхностей. Если с ростом высоты наблюдается стабилизация интенсивности теплообмена по поверхности, то скорость нисходящего потока существенно возрастает. Для светопрозрачных конструкций с малыми значениями термического сопротивления и, соответственно, с большей разностью значений температуры между внутренней поверхностью конструкции и воздуха (это характерно для зданий старой постройки, однослойного остекления витринного типа и т. п.) нисходящие потоки вдоль остекления имеют настолько значительные значения скорости, что определяются визуально по колебаниям легких предметов.
Восходящий поток формируется у поверхности отопительных приборов, а его значительная интенсивность определяется высокой температурой их поверхности. Следует отметить: у современных отопительных приборов компактность, высокие теплотехнические характеристики достигаются за счет интенсификации конвективного движения воздуха, что также способствует формированию восходящего потока воздуха. Анализ порядковых значений влияющих факторов и тепловых балансов реальных помещений показал сопоставимость скоростей движения этих потоков, взаимодействие которых определяет распределение скоростей и температуру воздушных потоков в помещении. Поиск архитектурных решений, позволяющих снизить скорость движения воздуха и уменьшить неравномерность температуры в зоне расположения людей в помещении, и стал предметом исследования.
Для иллюстрации основных решений рассмотрим различные архитектурные исполнения отопительных приборов относительно светопрозрачных конструкций. Как наихудший вариант, исключим окно без отопительного прибора. В этом случае остается только нисходящий холодный поток воздуха, проходящий беспрепятственно значительное расстояние по нижней части помещения. К сожалению, в последнее время это не редкость, и как разновидность подобного варианта можно назвать неправильный подбор отопительных приборов, когда радиатор компактно размещается под оконным проемом большой протяженности, локализуя только небольшую часть фронта нисходящего потока. Обследование помещений, в которых производился высокобюджетный ремонт, позволяет выделить другую разновидность подобного по результатам подхода, когда отопительные приборы закрываются в нишах гипсокартоном с небольшими вентиляционными решетками в центральной части, что значительно затрудняет циркуляцию воздуха.
Использование панельных отопительных приборов позволяет успешно решать вопросы планировки, чистоты, эстетики помещений и т. д. Вместе с тем при их выборе полезно знать особенности взаимодействия воздушных потоков.
На рис. 1, а представлены линии тока воздуха в помещении. Здесь можно выделить следующие характерные особенности. Центральную часть помещения занимает обширный вихрь, взаимодействующий с потоком воздуха от отопительного прибора. Со стороны противоположной оконному проему формируется еще один вихревой воздушный поток как результат взаимодействия первых двух. Граница раздела восходящего и нисходящего потоков располагается между отопительным прибором и светопрозрачной конструкцией. Угол наклона потока воздуха после столкновения потоков определяется их интенсивностью. В помещениях большой высоты часто преобладает нисходящий поток за счет большой высоты остекления (рис. 1, а). Температурное поле в помещении (рис. 1, б) также имеет свои особенности. Так, вблизи отопительного прибора формируется область с высокой температурой, что объясняется локализаций высокотемпературного потока из-за разделения потока восходящего воздуха на два вихря. Замеры температурных полей в помещениях большой высоты показывают наличие «тепловой волны» от отопительных приборов в виде слоя воздуха, обычно наклонного, с повышенной температурой относительно ее среднего значения. На рис. 1 этот слой прослеживается как четкая граница нагретого и холодного потоков.
Рис. 1
б
а
Возвращаясь к вопросу о комфорте в помещении, можно отметить, что люди находятся в нижней части помещения, где наблюдается высокая интенсивность движения воздушных потоков, неравномерность распределения температуры, при пылеобразовании такой сложный характер движения воздуха также может создавать дополнительные проблемы.
Тип отопительного прибора влияет на перераспределение воздушных масс и температурное поле в помещении. На рис. 2, а показаны линии тока, а на рис. 2, б - температурное поле при использовании секционного радиатора. Секционные радиаторы отличаются большей удельной плотностью теплового потока, большей скоростью движения воздуха через секции. Восходящий поток от радиатора, имея большую интенсивность, «поднимает» нисходящий поток воздуха над полом. В данном случае уровень комфорта в нижней части помещения выше за счет меньшей скорости движения воздуха, но неравномерность распределения температуры сохраняется за счет высокой удельной плотности теплового потока радиатора. В этом варианте возможен также некоторый незначительный экономический эффект за счет снижения средней температуры в помещении и обеспечения ее оптимального значения в области нахождения людей.
Рис. 2
Снизить влияние нисходящего потока может применение таких архитектурных элементов, как различного рода горизонтальные панели вдоль светопрозрачной конструкции, начиная от такого хорошо известного элемента, как подоконная доска и заканчивая более сложными элементами, применяемыми в архитектуре современных зданий. На рис. 3, а показан характер движения воздуха в помещении, а на рис. 3, б - температурное поле при использовании обычной подоконной доски, выполняющей роль аэродинамического элемента. Как видно из рис. 3, нисходящий и восходящий потоки разделены практически на уровне подоконной доски. Это позволяет рекомендовать размещать её над уровнем пола помещения на высоте человеческого роста. Разумеется, это далеко не всегда выполнимо, но в некоторых помещениях возможно. Разделение двух потоков привело к еще большей дифференциации температурного поля по высоте.
Рис. 3
б
а
б
а
Другими элементами, которые могут быть использованы для управления микроклиматом помещения, являются различного рода жалюзи, занавеси, шторы и т. п. На рис. 4, а, б представлены результаты использования вертикальных жалюзи. Жалюзи полностью открыты и не создают значительного затемнения в помещении. Нижняя часть жалюзи практически примыкает к подоконной доске, что также важно для управления воздушными потоками. Следствием реализации мероприятий стало снижение интенсивности нисходящего потока вдоль остекления, граница раздела вихрей поднялась вверх, произошло выравнивание температурного поля, что заметно по прогреву верхней части помещения. Уровень комфорта в целом повысился, но сохранилась проблемная зона повышенной температуры вблизи радиатора.
При создании микроклимата в помещениях невозможно обойти такие проблемы, как использование экранов у радиаторов, размещение мебели, перегородок и т. п. Эти элементы в помещении оказывают значительное влияние на движение воздуха и распределение температуры. На рис. 5, а, б представлен результат размещения мебели вблизи радиатора. Как видно из рис. 5, восходящий поток воздуха оказался локализован, что отразилось на распределении температуры. Можно отметить выравнивание температуры в оставшейся части помещения (на минимальном уровне). С другой стороны, обеспечить комфортные условия вблизи окна оказывается практически невозможным. Локализация зоны перегрева может несколько снизить теплопотери из помещения в целом.
Рис. 5
Перераспределение воздушных потоков также повысило уровень комфорта в зоне размещения людей. Рабочая зона оказалась в «тени» размещенного предмета, скорость движения воздуха снизилась.
Разрабатывая мероприятия по обеспечению микроклимата в помещениях большой высоты, необходимо учитывать множество влияющих факторов, что делает невозможным разработку единых рекомендаций по проектированию цепочки светопрозрачная конструкция - отопительный прибор - архитектурное исполнение помещения. В связи с этим в нашей работе мы постарались отразить механизм воздействия основных факторов, влияющих на микроклимат помещения, и помочь в принятии архитектурно-планировочных и конструктивных решений.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Богословский В. Н., Сканави В. А. Отопление. - М.: Стройиздат, 1991. - 735 с.
2. ГОСТ 30494-96. Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях.
Статья поступила в редакцию 11.06.2009
ROLE OF ARCHITECTURE OF APARTMENTS IN FORMATION OF THEIR MICROCLIMATE
P. V. Yakovlev, Yu. A. Alyautdinova, E. A. Gorbaneva
The theoretical researches of heat-mass transfer processes in the apartment are conducted. Their influence on microclimate is investigated. The features of formation of speed and temperature fields in the apartments with different architecture designs are studied. It is stated, that on the stage of development of architectural and designing decisions it is possible to predict the features of the heat-mass transfer processes running. The regularities of formation of air speed and temperature fields are revealed. The use of these regularities allows to create favourable conditions in the apartments.
Key words: architecture of apartments, microclimate, speed, temperature, heating device.
