Скорость движения воздуха в прослойке навесной фасадной системы при естественной вентиляции Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Расчет конструкций

------ЖИЛИЩНОЕ ---

строительство

Научно-технический и производственный журнал

УДК 699.86

В.Г. ГАГАРИН, д-р техн. наук, В.В. КОЗЛОВ, канд. техн. наук, НИИСФ РААСН(Москва), К.И. ЛУШИН, инженер, Московский государственный строительный университет

Скорость движения воздуха

о о 1 с»

в прослойке навесной фасадной системы при естественной вентиляции

Рассмотрено формирование воздушно-теплового режима при естественной вентиляции воздушной прослойки в навесной фасадной системе. Получено дифференциальное уравнение, описывающее распределение температуры по высоте прослойки, а так же приближенное уравнение для определения скорости воздуха в прослойке. Проведена оценка максимально достижимой скорости воздуха в прослойке. Полученные результаты могут быть использованы при оценке эмиссии волокон из минераловатного утеплителя НФС.

Ключевые слова: навесная фасадная система, воздушная прослойка, скорость движения воздуха, естественная вентиляция прослойки, интенсивность солнечной радиации.

Навесные фасадные системы занимают прочное положение среди ограждающих конструкций современных зданий вследствие их архитектурной привлекательности и ряда преимуществ при утеплении зданий [1, 2]. В СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий» (актуализированный СНиП 23-02-2003) [3] в качестве рекомендуемого приложения Л включена методика теплофизического расчета навесных фасадных систем (НФС) с вентилируемой воздушной прослойкой. Расчет скорости движения воздуха в данной методике осуществляется исходя из математической модели и алгоритма, представленного в [4, 5]. Расчет по этой методике обычно проводится при некоторых значениях параметров обеспечивающих среднюю скорость движения воздуха в прослойке или даже наименьшую скорость. Это необходимо для обеспечения дальнейшего расчета влажностного режима НФС с вентилируемой прослойкой. Однако, в ряде случаев необходимо обладать информацией о максимальных скоростях движения воздуха в прослойке, действующих продолжительное время. Такая задача возникает, например, при количественной оценке эмиссии волокон из минераловатного утеплителя НФС [6] или при изменении свойств утеплителя НФС [7]. Задача определения скорости движения воздуха в вентилируемых прослойках неоднократно решалась методами механики несжимаемой жидкости и газа [8-10]. В настоящей статье приводятся инженерные методики расчета и оценки скорости движения воздуха в прослойке НФС, в том числе и максимальной скорости.

Вывод уравнения распределения температуры воздуха по высоте воздушной прослойки НФС

Расчет температуры воздуха производится в предположении, что известна скорость движения воздуха в прослойке. Температура воздуха в воздушной прослойке t , оС, зависит от геометрических параметров прослойки и теплотехнических характеристик стены и облицовки фасада. Зависит она также и от температуры наружного и внутреннего воздуха. Направление и скорость ветра также оказывают

влияние на скорость движения воздуха в прослойке, но влиянием этой скорости пренебрегают ввиду случайного характера. Большое влияние на скорость движения воздуха оказывает солнечная радиация, которая учитывается при помощи условной температуры наружного воздуха, определяемой по формуле:

I- р

(1)

где р - коэффициент поглощения солнечной радиации, доли ед.; ан - коэффициент теплоотдачи наружной поверхности, Вт/(м2оС); I - интенсивность солнечной радиации (прямой и рассеянной) на вертикальную поверхность данной ориентации, Вт/м2. Значение t зависит от высоты и изменяется от значе-

пр

ния ^ у входа в прослойку до предельного значения температуры воздуха в прослойке, которое соответствует температуре при неподвижном воздухе, т. е. чем выше (дальше от входа в прослойку) расположен участок стены здания, тем выше значение

Пусть скорость движения воздуха в прослойке известна и составляет V, м/с. Уравнение баланса теплоты для элементарного слоя воздуха в прослойке, толщиной Ах имеет вид:

X -¿усл

пр н

-*Ч).констр Ч).обл

Первое слагаемое в данном уравнении выражает количество теплоты, уносимой потоком воздуха из элементарного слоя прослойки вверх; второе слагаемое выражает количество теплоты, поступающей в элементарный слой снизу; третье слагаемое выражает количество теплоты, поступающей в элементарный слой через стену с утеплителем; четвертое слагаемое выражает количество теплоты, уходящей из элементарного слоя через облицовочные элементы фасада.

Преобразование (2), приводит к дифференциальному уравнению:

Научно-технический и производственный журнал

Расчет конструкций

,усл

(¡X

1

Св-У-с1ув ^ _ Д .констр

пр

+ -

Д.,

.обл

- + -

1

1

д.,

+

1

(3)

констр

Д.,

обл

Д .констр .обл

Выражение в правой части уравнения представляет собой температуру воздуха в прослойке при отсутствии изменения температуры воздуха по высоте и обозначается г0. Такая температура имеет место при отсутствии движения воздуха в прослойке. Коэффициент при производной обозначается символом х0, его физический смысл будет прояснен ниже.

* ,усл

'о="

Л) .к

-+ -

Л,,

обл

Д,

констр

Д).«

обл

г к

в констр н обл

к

констр обл

С У-й ув

+ -

1

= к-у,

(4)

(5)

Естественным начальным условием для данной задачи является: t =/н при х=0. При этом, решением уравнения (6)

является:

(7)

Уравнение (7) позволяет получить уравнение для средней температуры воздуха в прослойке. При высоте фасада L средняя температура определяется интегрированием полученной зависимости (7): £ £/

о о ^

Г*о

(1х =

10£

-х0~({0~О 1-е

(8)

Практическое применение это выражение может получить при оценке скорости движения воздуха в прослойке. Согласно [4] скорость движения воздуха в прослойке при отсутствии ветра выражается формулой:

0,081

У = 1

(9)

д .констр .обл где (в, - температуры внутреннего и наружного воздуха

соответственно, оС; = (н + - условная температура

наружного воздуха, с учетом солнечной радиации, попадающей на стену, оС; Д.Констр, Д.обл - сопротивления теплопередаче частей конструкции от внутреннего воздуха помещения до воздушной прослойки и от воздушной прослойки до наружного воздуха соответственно, м2 оС/Вт; -^констр' "^йбл - коэффициенты теплопередачи частей конструкции от внутреннего воздуха помещения до воздушной прослойки и от воздушной прослойки до наружного воздуха соответственно, Вт/(м2оС); х - расстояние от входа в воздушную прослойку до рассматриваемой точки, м; V - скорость движения воздуха в прослойке, м/с; св=1005 - удельная теплоемкость воздуха, Дж/(кгоС); 7В=353/(273+Н) - плотность воздуха при температуре кг/м3; d - ширина воздушной прослойки, м.

С учетом этих обозначений уравнение (3) принимает простой вид:

Л

+ = (6)

где L - разность высот от входа воздуха в прослойку до выхода из нее (высота фасада), м; - сумма коэффициентов

I

местных сопротивлений, определяемых из Справочника по гидравлическим сопротивлениям И.Е. Идельчика.

Приближенная формула для расчета скорости движения воздуха в прослойке

Выражения (8) и (9) позволяют получить приближенную формулу для расчета скорости движения воздуха в вентилируемой прослойке. Для этого значение г из (8) подставляется в (9). Полученное уравнение решается относительно скорости движения воздуха. При этом в (8) пренебрегают величиной ~щ, которая в практических задачах составляет малую величину (менее 0,1), не оказывающую существенного влияния на конечный результат (рис. 1). Приближенная формула имеет вид:

0,0016-00-;/^ 0,08-£-Оо-0

0,04-0Г0-к

Х5,

• (10)

Это уравнение описывает распределение температуры по высоте воздушной прослойки фасада. Если - начальная температура воздуха на входе в прослойку, то величина (г0-^н) является по своему физическому смыслу предельным отклонением температуры воздуха в вентилируемой прослойке от своего начального значения. Из уравнения (7) следует, что по мере увеличения х, значение г стремится к значению г0. Как следует из формулы (7) величина х0 - это высота, на которой разность температур (г0- гпр) становится меньше своего предельного значения (?н-г0) в е раз.

Полученное уравнение (7) позволяет рассчитать распределение температуры по высоте воздушной прослойки.

Средняя температура воздуха в вентилируемой прослойке НФС

Можно, рассчитав скорость движения воздуха по формуле (9), проводить расчет распределения температуры воздуха по высоте прослойки по формуле (7) вместо итерационного расчета по методике [4].

Оценка максимальной скорости движения воздуха в прослойке

Выражения (8) и (9) позволяют также получить оценку максимально достижимой скорости движения воздуха в воздушной прослойке, обусловленной конвекцией. Это значение можно использовать при оценке эмиссии волокон и долговечности минераловатного утеплителя [6]. Из (9) следует, что скорость движения воздуха пропорциональна л/0ср~"^н), следовательно, она монотонно возрастает с ростом (?ср-/н). Остальные параметры остаются неизменными при эксплуатации фасада. Из (8) следует:

1-е

-К

(11)

Преобразование (11) дает:

>ср-'н='с

1

1 Ь '

1-е

+ К

1

1 X '

1-е

1-е

■Со-'в).

-1

(12)

10'2013

15

Расчет конструкций

ц м .1

Научно-технический и производственный журнал

Максимальное Это

('с,

f(b=

значение \-Ср из

1

L '

следует

н Imax

того,

достигается при что функция

имеет максимум при ^н>0,

свою очередь следует из того, что эта функция монотонно

бывающая, так как ее производная -С является отри) х

цательной на полуинтервале значений аргумента -^е[0;1].

Следовательно, максимальное значение tcp-tк достигается при ^=0:

: lim

хп

-i®—>0

1

1 L '

1-е

Со-4) = Со-U (13)

После подстановки (13) в (9) получается:

10,08£((0-О

Подстановка в (14) выражения для t0 из (4) дает:

(14)

0,08 L

t К +tycaK .

в констр н оол

к +к.

констр оол

0,08 L

(t-L)K + (tyal-L)K

® н/ KOHCTD 4 II Н/ г

обл

К +к.

констр оол

(15)

0,08 L

j ^ констр

обл

+<С-4> =

0,08

К

f \ констр

"V к

обл

а„

(16)

0,45 0,4 . 0,35

■ 0,3 0,25

0,2

■ 0,15

0,1 0,05 0

1

3

5

6 7 Месяцы

8

9 10

12

Рис. 1. Скорость движения воздуха в прослойке НФС, рассчитанная по среднемесячным значениям климатических параметров итерационным методом [4] и по приближенной формуле (10): 1 — итерационный расчет; 2 — расчет по приближенной формуле

I

ш о ^ О

1,2 1

0,8 0,6 0,4 0,2 0

3

5

6 7 Месяцы

8

9 10

С учетом того, что коэффициент теплопередачи облицовки Ко6л намного больше, чем коэффициент теплопередачи конструкции -К^щяр из (15) следует:

Формулы (15) и (16) позволяют легко оценить максимальную скорость движения воздуха в прослойке. При отсутствии солнечной радиации скорость движения воздуха определяется в основном разностью температуры внутреннего и наружного воздуха. В летних условиях, когда эта разность мала, скорость движения воздуха определяется интенсивностью солнечной радиации. Максимальное значение скорости движения воздуха будет наблюдаться при одновременном максимуме значений и I. Это значе-

ние и будет представлять оценку максимальной скорости движения воздуха в воздушной прослойке НФС на выбранном наборе климатических данных.

Примеры расчета скорости движения воздуха в прослойке

Расчеты скорости движения воздуха в прослойке НФС позволяют иллюстрировать полученные формулы. Расчеты выполнялись для кирпичной стены здания с НФС в Москве. Высота НФС составляла 10 м, толщина слоя минеральной ваты 120 мм, термическое сопротивление: облицовки НФС - 0,06 м2.оС/Вт; стены с утеплителем - 3,3 м2.оС/Вт. Климатические условия приняты для Москвы. Расчеты выполнялись по среднемесячным значениям температуры воздуха и интенсивности солнечной радиации (солнечная радиация принимается для южного фасада здания).

На рис. 1 приведена скорость движения воздуха в прослойке НФС в различные месяцы года, рассчитанная без

Рис. 2. Рассчитанная средне-месячная скорость движения воздуха в прослойке НФС без учета влияния солнечной радиации и с учетом этого влияния. 1 — без учета солнечной радиации; 2 — с учетом солнечной радиации; 3 — максимально возможная среднемесячная скорость движения воздуха в прослойке НФС

учета солнечной радиации итерационной методикой [4] и по приближенной формуле (10). Получены близкие значения величин.

На рис. 2 приведена скорость движения воздуха в прослойке НФС по среднемесячным значениям климатических параметров, рассчитанная по формуле (10) без учета и с учетом интенсивности солнечной радиации, а также оценка максимального значения этой скорости по формуле (16) при максимальной в течение года разности и при

максимальном в течение года значении I. Из графиков видно, что учет интенсивности солнечной радиации существенно повысил рассчитанную скорость движения воздуха в прослойке. Пренебрегать влиянием солнечной радиации при расчетах скорости движения воздуха в вентилируемой прослойке нельзя. Заключение

Выполненное моделирование температурно-воздушного режима в вентилируемой прослойке НФС позволяет проводить расчеты по сравнительно простым, инженерным формулам. Это делает возможным внедрить расчеты в проектную практику и повысить точность расчетов теплофизиче-ских свойств ограждающих конструкций с НФС, что, в свою очередь может отразиться на экономическом обосновании при выборе ограждающих конструкций зданий [11].

Список литературы

1. Есаулов Г.В. История России в градостроительстве: традиции и новации // Academia. Архитектура и строительство. 2012. № 4. С. 130-133.

2. Гагарин В.Г. Теплофизические проблемы современных стеновых ограждающих конструкций многоэтажных зданий // Academia. Архитектура и строительство. 2009. № 5. С. 297- 305.

что в

Научно-технический и производственный журнал

Расчет конструкций

21-24 января 2014 Красноярск

3. Гагарин В.Г., Козлов В.В. Требования к теплозащите и энергетической эффективности в проекте актуализированного СНиП «Тепловая защита зданий» // Жилищное строительство. 2011. № 8. С. 2-6.

4. Гагарин В.Г., Козлов В.В., Цыкановский ЕЮ. Расчет теплозащиты фасадов с вентилируемым воздушным зазором // АВОК. 2004. № 2. С. 20-26; № 3. С. 20-26.

5. Гагарин В.Г., Козлов В.В. Расчет сопротивления теплопередаче фасадов с вентилируемым воздушным зазором // Строительные материалы. 2004. № 7. С. 8-9.

6. Гагарин В.Г., Гувернюк С.В., Лушин К.И. Моделирование эмиссии волокон из минераловатного утеплителя навесной фасадной системы с вентилируемой прослойкой // Промышленное и гражданское строительство. 2013. № 9. С. 27-29.

7. Умнякова Н.П. Теплозащитные свойства эксплуатируемых навесных вентилируемых фасадных конструкций // Жилищное строительство. 2011. № 2. С. 2-6.

8. Машенков А.Н., Чебурканова Е.В. Определение коэффициента теплотехнической однородности навесных фасадных систем с воздушным зазором // Строительные материалы. 2007. № 6. С. 10-12.

9. Hensen J., Bartak M, Drkal F. Modeling and Simulation of a Double-Skin Facade System // ASHRAE Transactions, 2002. Vol. 108. Part 2. Pp. 1251-1259.

10. Mingottia N., Chenvidyakarna T, Woodsb A.W. The fluid mechanics of the natural ventilation of a narrow-cavity double-skin facade // Building and Environment. 2011. Vol. 46. Pp. 807-823.

11. Гагарин В.Г. Экономический анализ повышения уровня теплозащиты ограждающих конструкций зданий // Строительные материалы. 2008. № 8. С. 41-47.

0

инж

ПРОЕКТ СТРОЙ

СОВРЕМЕННЫЕ ГЕОТЕХНОЛОГИИ

УКРЕПЛЕНИЕ ГРУНТОВ ОГРАЖДЕНИЕ КОТЛОВАНОВ ПОВЫШЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ОТКОСОВ ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННЫЕ ЗАВЕСЫ УСИЛЕНИЕ ФУНДАМЕНТОВ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ

(499) 951 -03-21 www.j et-gro ut i ng. ru

Реклама

102013

17