CC BY
66
1/2П11 ВЕСТНИК
j/2012_мгсу
ВЛИЯНИЕ ВНЕШНИХ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК НА СОЗДАНИЕ И ПОДДЕРЖАНИЕ ТРЕБУЕМЫХ ПАРАМЕТРОВ МИКРОКЛИМАТА В ПРАВОСЛАВНЫХ ХРАМАХ
THE INFLUENCE OF EXTERNAL AERODYNAMICAL
CHARAKTERISTIC ON CREATION AND MAINTENANCE OF
REQUIRED MICROCLIMATR PARAMETERS IN ORTODOX
TEMPLES
M.M. Соколов
M.M. Sokolov
ГОУ ВПО ННГАСУ
Для обеспечения комфортных условий в православных храмах требуется разрабатывать рациональные системы вентиляции, такие как аэрация. Однако, для грамотного расчета систем аэрации необходимо знание аэродинамических коэффициентов.
For provision of comfortable conditions in orthodox temples it is necessary to create efficient systems of ventilations (aeration). For competent calculation of aeration systems it is essential to know value of aerodynamical coefficient.
Православные храмы - это уникальные сооружения и памятники архитектуры. Каждая деталь храма имеет глубокий смысл и значение. Однако, ввиду конструктивного несовершенства или иных причин далеко не все храмы сохранились до наших дней. К примеру, в Нижнем Новгороде после революции 1917 сохранилось около 40 храмов лишь потому, что с них были сняты купола с крестами, а их помещения использовались не по назначению, например, как складские. Это приводило к нарушению микроклимата в помещениях, и, как следствие, порче внутренней отделки, исторических ценностей, а также частичному или полному разрушению самих сооружений.
В настоящее время, когда происходит реконструкция и строительство храмов, требуется уделить особое внимание обеспечению требуемых параметров микроклимата культовых сооружений. Для обеспечения в православных храмах комфортных условий, снижения теплопотерь и улучшения эксплуатации ограждающих конструкций здания необходимо разрабатывать системы вентиляции. Однако, в силу эстетических, технических и экономических причин устройство приточно-вытяжной механической вентиляции в помещениях православных храмов не всегда представляется возможным. Обеспечение требуемого воздухообмена в помещениях можно добиться с помощью их аэрации. Она требует самых минимальных эксплуатационных затрат и является относительно недорогой при монтаже. Для грамотного расчета аэрации православных храмов необходимо знание внешних аэродинамических характеристик церквей, что будет учитываться при расчете ветровых нагрузок на сооружение.
Целью исследований является разработка теоретических основ и практических рекомендаций по созданию и поддержанию микроклиматических условий в исследуемых православных храмах, зависящих от внутренних и наружных климатических воздействий.
Для подтверждения эффективности использования систем аэрации по сравнению с механическими системами с экономической точки зрения достаточно рассмотреть следующий пример.
Расход воздуха, поступающего в храм и удаляемого из храма - 6500 м3/ч, при этом:
Перечень затрат при использовании механических систем: приточная установка (256000 рублей), вытяжной вентилятор (106000 рублей), системы воздуховодов (110000 рублей), монтаж систем (140000 рублей), затраты на электроэнергию (20000 рублей), затраты на обслуживание систем (20000 рублей). В итоге 650000 рублей.
Перечень затрат при использовании аэрации: приточные фрамуги (30000 рублей), вытяжные фрамуги (15000 рублей), козырьки (7000 рублей), воздуховоды (не более 0,5м к вытяжным фрамугам) (7000 рублей), монтаж систем (30000 рублей), В итоге 89000 рублей.
Таким образом для обеспечения одного и того же воздухообмена в помещениях православных храмов при использовании систем аэрации потребуется почти в 7,5 раз меньше денежных затрат, чем при использовании механических систем вентиляции. При этом не будут нарушены внутреннее убранство храмов и их эстетическая составляющая.
Анализ нормативных документов в области строительства и реконструкции православных храмов (НПБ 108-96, СП 31-103-99, АВОК Стандарт-2-2004, МДС 319.2003 в трех томах) показал, что к таким вековым сооружениям в настоящий момент выдвигаются особые требования. Отмечается положительная тенденция роста исследований в рассматриваемой области, поиска различных экспериментальных значений, необходимых для расчетов, и совершенствования уже существующих нормативных документов.
В разделах об организации воздухообмена приводятся различные рекомендации, по проектированию естестественной вентиляции, однако они является недостаточными, т.к. они не учитывают ряд факторов, например, уникальные архитектурные особенности каждого культового сооружения. В нормативных документах также не приводится пример расчета естестественной вентиляции для какого-либо конкретного культового сооружения, что существенно упростит применение рекомендаций на практике.
Для грамотного расчета аэрации православных храмов необходимо знание внешних аэродинамических характеристик церквей. Исследование значений аэродинамических коэффициентов осуществляется следующим образом:
1) Необходимо подобрать такие, ранее не исследованные культовые сооружения на предмет внешней аэродинамики, которые обладают отличными друг от друга архитектурными элементами, конструкцией и т.д.
2) Создать модели по планам этих храмов с учетом критериев подобия и провести испытания в аэродинамической трубе.
3) С помощью известных аэродинамических коэффициентов определить необходимые площади приточных и вытяжных фрамуг, чтобы обеспечить требуемый воздухообмен в помещении.
1/2П11 ВЕСТНИК
_угогт_мгсу
Для исследования были отобраны четыре православных храма, расположенных на территории Нижнего Новгорода.
Церковь Жен-мироносиц ознаменовала своим появлением новый тип православных храмов на Руси - «корабль». Строго по оси располагались алтарь, молельный зал, трапезная и колокольня над западным выходом.
Построенная в 1649 г. эта двухъярусная церковь была освещена: первый этаж - в честь Знамения, второй - в честь Жен-мироносиц. Объединение теплой и холодной церкви в одном здании на разных этажах было нестандартным решением.
Ранее в приходах рубили два храма: малый, обычно клетского типа, для ведения службы зимой и просторный (в основном шатрового типа) - летом.
Не менее интересным примером русского православного зодчества является «Рождественская церковь», построенная в 1653 году. Единый подход к решению всех возводимых зданий в самых различных городах страны, был исследовательской литературой охарактеризован как принадлежавшее к одному стилевому направлению и получил название «строгановское барокко»
Однако, среди всех выстроенных Г.Д. Строгановым храмов нижегородская Рождественская церковь отличается особой монументальностью образа, органической взаимосвязью пышного декоративного убранства с завершением центральной главы сразу двумя кованными коронами.
Крестовоздвиженский собор (1811-1823) в плане представлял собой равноконечный крест (35x35м) с четырьмя внутренними пилонами, поддерживающими центральный купол. Над крыльями ставились 4 малых главы.
Архитектор в формах собора выразил основные символы христианства: огромный крест, концы которого вписывались в круг - знак вечности и постоянства.
Среди храмов Неовизантийского стиля стоит отметить Спасо-Преображенский (1900-1903) собор, построенный в Сормово, который задумывался как более вместительный храм для этой быстро развивавшейся в промышленном плане древней деревни, а в настоящий момент района Нижнего Новгорода. Высота этого храма до креста 43м. Огромный купол поддерживали полукупола расставленные по сторонам и передававшие давление верха на усиленные кладкой угловые части. Пониженная колокольня подчеркивает центричность композиции.
Для успешного проведения эксперимента по исследованию внешней аэродинамики культовых сооружений, был проанализирован ряд работ [1,2,4,5,6], в которых проводились подобные эксперименты. Это позволило сформировать ряд требований при создании моделей православных храмов:
1) Благодаря работе Э. И. Реттера стали возможными испытания сплошных моделей, т.к. его исследования показали, что аэродинамические коэффициенты, полученные при испытании таких моделей равны коэффициентам таких же моделей с открытыми проемами.
2) Модели изготавливаются из плотной бумаги, внутренняя полость которых для обеспечения жесткости и прочности заполняется быстротвердеющим пенным материалом.
3) При создании моделей, необходимо соблюдать условия, которые обеспечивают возможность переносить результаты, полученные для модели в лабораторных условиях на полноразмерный натурный объект. Прежде всего, речь идет о геометрическом подобии, т.е. пропорциональности всех линейных размеров модели и натуры и равенство их соответствующих углов.
4) Помимо геометрического подобия при проведении экспериментов необходимо учитывать следующие критерии (числа): число Рейнольдса Яе, число Бэрстоу Ва, число Коши Са, число Эйлера Ей, число Фруда Бг, число Струхаль БЪ, число Прандтля Рг, степень турбулентности потока е.
5) В места расположения оконных проемов (характерных точках модели) размещаются 5 мм трубки. Для измерения статического давления на поверхности модели здания в этих точках используют микроманометр, присоединяющийся к медным трубкам с помощью резиновых шлангов, которыми дренирована испытуемая модель здания.
Измерения для каждой точки производятся для восьми направлений воздушного потока: С, СВ, В, ЮВ, Ю, ЮЗ, 3, СЗ.
По результатам исследований строится аэродинамические характеристики здания в виде диаграммы распределения давлений ветра на поверхности изучаемого сооружения при различных направлениях ветрового потока.
Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 - исследуемая модель объекта; 2 - рабочая область аэродинамической трубы; 3 - осевой вентилятор; 4 - подставка под модель здания; 5 -
направляющие ребра
Лабораторная установка, на которой проводятся эксперименты по исследованию внешней аэродинамики различных зданий, в том числе и культовых сооружений, представляет собой закольцованную аэродинамическую трубу с открытой рабочей частью (рис. 1). Диаметр воздуховодов аэродинамической трубы равен 1000 мм, нагнетатель мощностью 3кВт обеспечивает расход воздуха 14400 м3/ч. Измерение скорости воздушного потока в рабочей области производится с помощью чашечного анемометра с диапазоном измерения средней скорости воздуха от 1 до 20 м/с.
Аэродинамические коэффициенты, нахождение которых является целью аэродинамических исследований, представляют собой величину, определяющую степень восприятия динамического давления набегающего потока на поверхности обтекаемого потоком тела. Они зависят от структуры потока, обтекающего тело (критерий Рейнольдса), формы поверхности тела и положения его в потоке. В соответствии с ранее проводимыми исследованиями, и исходя из закона сохранения энергии, было установлено, что аэродинамический коэффициент может принимать значения в диапазоне от -1 до +1. Аэродинамический коэффициент определяется по следующей формуле:
1/2П11 ВЕСТНИК
_1/2011 МГСУ
3 ■
л .у
:
Е
где - избыточное давление в исследуемых точках модели, ? - плотность
воздуха в аэродинамической трубе, г'с - скорость воздуха в аэродинамической трубе
Для того, чтобы продемонстрировать зависимость площади вентиляционных фрамуг в зависимости от аэродинамических коэффициентов представлен следующий пример (результаты получены в результате расчетов для одного из храмов Нижнего Новгорода) рис.2
Научной новизной является обобщение всех известных методов по исследованию аэродинамических и теплотехнических характеристик, а так же уникальность архитектурных и конструктивных особенностей каждого культового сооружения, для которых проводились исследования.
1 л,*
£
0.7 О.Б
Я
'41111111' ф|Н11|[
т 0.4
С Э4МГ ИЧС< и ДИ"
Ц.1
о
-1,1 -> -о.» в о.» | |Н1
личпинк й^рПЛИНАННЧГШНХ КО.)ффНЦИЩ II»
Рис. 2 Зависимость площадей приточных и вытяжных фрамуг от аэродинамических коэффици-
Практическая значимость состоит в повышение надежности и эффективность рекомендуемых параметров технологического микроклимата в православных храмах.
Культовые сооружения на Руси - это богатейшее историческое и культурное наследие, имеющее тысячелетнюю историю архитектурных преображений. Обеспечение требуемых параметров микроклимата в помещениях позволит надолго сохранить их внутреннее убранство и уникальную архитектуру.
Литература
1. Исследование внешней аэродинамики здания : метод. указания к лаб. работам по дисциплине "Вентиляция" для студентов специальности 29.07.00 "Теплогазоснабжение и вентиляция" днев. и заоч. форм. обучения / Нижегор. гос. архитектур.-строит. ун-т., Каф. "Отопление и вентиляция" ; сост. А. Г. Кочев [и др.]. - Н. Новгород : ННГАСУ, 2004. - 24 с. : ил.
2. Кочев, А. Г. Микроклимат православных храмов : монография / А. Г. Кочев ; Нижегор. гос. архитектур.-строит. ун-т. - Н. Новгород : ННГАСУ, 2004. - 449 с. : ил.
3. Филатов, Н. Ф. Купола, глядящие в небеса : Нижегородское храмовое зодчество XVII-XX в. : альбом / Н. Ф. Филатов ; Нижегор. ин-т экон. развития. - Н. Новгород : НИЭР, 1996. - 248 с. : ил.
4. Реттер, Э. И. Аэродинамика зданий [Текст] / Э. И. Реттер, С. И. Стриженов. - М. : Стройиздат, 1968. - 240 с.
5. Реттер, Э. И. Архитектурно-строительная аэродинамика / Э. И. Реттер. - М. : Стройиздат, 1984. - 294с.
6. Реттер, Э. И. Ветровая нагрузка на сооружения / Э. И. Реттер. - М.;Л. : Гл. ред. Строит. лит., 1936. - 215 с. : ил.
The literature
1. Research of external aerodynamic of building : methodological instructions to laboratory works according to «Ventilation» discipline for students of specialization 29.07.00 «Heat and gas supply systems» NNGASU, Heating and ventilation department ; A.G. Kochev [and others]. - N. Novgorod: NNGASU, 2004. - 24 p: fig
2. Kochev A.G. Microclimate in orthodox temples: monograph /A. G. Kochev; NNGASU - N. Novgorod: NNGASU, 2004. - 449 p: fig.
3. Filatov, N.F. The domes, which look in the sky: N. Novgorod temple architecture XVII-XX century. : album / N. F. Filatov ; NIER. - N. Novgorod: NIER, 1996. - 248 p. : fig.
4. Retter, E. I. Aerodynamic of building [Text] / E. I. Retter, S. I. Strigenov. - M. : Stroiizdat, 1968. -240 p.
5. Retter, E. I. Architecture and building aerodynamic / E. I. Retter. - M. : Stroiizdat, 1984. - 294p.
6. Retter, E. I. Wind loading on building / E. I. Retter. - M.: Stroiizdat., 1936. - 215 p.: fig.
Ключевые слова: внешняя аэродинамика, православные храмы, аэрация, аэродинамические коэффициенты, аэродинамическая труба, параметры микроклимата, приточные фрамуги, вытяжные фрамуги, критерии подобия.
Keywords: external aerodynamic, orthodox temples, aeration, aerodynamical coefficient, windtunnel, microclimate parameters, fresh air ventlight, exhaust air ventlight, criteria of similarity.
E-mail авторов: [email protected]
Рецензент: В.В.Шиванов кандидат технических наук начальник проектного отдела ОАО «Ни-
жегородоблгаз»
