Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор исследований фильтрации воздуха через строительные конструкции 11
1.1. Основные понятия теории фильтрации. Закон Дарси 11
1.2. Экстремальные задачи в гидродинамической теории фильтрации 19
1.3. Формулы и уравнение Дюпюи в гидравлической теории фильтрации 20
1.4. Разность давлений на наружной и внутренней поверхности ограждений 22
1.5. Фильтрация воздуха через ограждающие конструкции 27
1.6. Объект исследования 34
1.7. Выводы по
Главе 1. Постановка задачи исследования 36
Глава 2.Теоретическая часть 39
2.1. Неизотермический поток воздуха в ограждающей конструкции (линейная теория) 39
2.2. Фильтрация неизотермического потока воздуха в ограждающей конструкции ...
2.3. Гидравлическая модель фильтрационного переноса примеси при,наличии вентиляции сквозь отверстия 59
2.3. Выводы по главе 2 69
Глава 3. Экспериментальное определение коэффициента фильтрации через ограждающую конструкцию 71
3.1. Модель натурных исследований 71
3.2. Методика проведения эксперимента 76
3.3. Обработка результатов экспериментального исследования воздухопроницаемости ограждающих конструкций 78
3.4. Выводы по главе 3 87
Глава 4. Практическая часть 88
4.1. Кратность воздухообмена замкнутого помещения 88
4.2. Пример расчета теплового потока, переносимого воздухом через стену , жилого коттеджа (количественная оценка величины переноса консервативной примеси (температуры и теплоты) фильтрационным потоком)
Заключение. Основные результаты и выводы 96
Литература:
- Экстремальные задачи в гидродинамической теории фильтрации
- Фильтрация неизотермического потока воздуха в ограждающей конструкции
- Обработка результатов экспериментального исследования воздухопроницаемости ограждающих конструкций
- Пример расчета теплового потока, переносимого воздухом через стену , жилого коттеджа (количественная оценка величины переноса консервативной примеси (температуры и теплоты) фильтрационным потоком)
Экстремальные задачи в гидродинамической теории фильтрации
Расчетная разность между давлениями на наружной и внутренней поверхностях каждой ограждающей конструкции Р{, Па, принимается после определения условно-постоянного давления воздуха в здании P[nt, Па (отождествляется с давлениями на внутренних поверхностях наружных ограждающих конструкций), на основе равенства расхода воздуха, поступающего в здание Gj, кг/ч, и удаляемого из него 2Gext, кг/ч, за счет теплового и ветрового давлений и дисбаланса расходов между подаваемым и, удаляемым .воздухом системами вентиляции с искусственным побуждением и расходуемого на технологические нужды.
Как видно, формула (1.4) является незначительно усовершенствованной формулой (1.2), изменения коснулись только ветровой составляющей, а именно добавлен коэффициент учета изменения скоростного давления ветра в зависимости от высоты, а остальные члены равны: ( - in) - = 0,5Av2(ce;W-ce p) Для правильного определения истинного перепада давлений в какой-либо точке наружного ограждения здания, представляется необходимым проводить исследования гидравлических характеристик конкретного объекта (помещения).
Фильтрация воздуха через ограждающие конструкции вызвана разностью давлений на наружной и внутренней поверхностях. В данной работе для оценки фильтрационного переноса массы и теплового потока через ограждающую конструкцию разность давления создается с помощью вентилятора, устанавливаемого в помещении.
Вследствие разности давления воздуха по обеим сторонам ограждения происходит его перемещение из области больших давлений к области меньших, т.е. происходит процесс фильтрации воздуха через сообщающиеся поры материала.
В основу научной разработки вопросов фильтрации воздуха был положен закон сопротивления при фильтрации жидкости, закон Дарси. Впоследствии этот закон был распространен на другие пористые материалы и другие среды.
На основе систематических опытов по фильтрации в пористых строительных материалах Ланг в 1877 г. установил аналогичную зависимость для воздухопроницаемости, известную под названием закона Ланга: G = iKAp где 1К - коэффициент воздухопроницаемости конструкции, кг/м -ч-мм.вод.ст.!,» "", "показывает количество прошедшего воздуха в килограммах через 1 м образца конструкции за 1 час при перепаде давлений на образце 1мм. вод. ст., данный коэффициент отличается от і - коэффициента воздухопроницаемости материала кг/м-ч-мм.вод.ст. в котором учитывается толщина испытываемого образца 5 м.
В качестве основной характеристики фильтрационных свойств материала Ланг предложил понятие коэффициента воздухопроницаемости.
Изучению величин коэффициента воздухопроницаемости было посвящено большое количество экспериментальных и теоретических исследований.
В лаборатории Ф.Ф. Эрисмана в 1896 г. проводились опыты по определению воздухопроницаемости глиняных сырцовых материалов. Позднее К.Я. Илькевич [29] определял воздухопроницаемость различных строительных растворов и песков.
В 30-е годы исследованиями воздухопроницаемости строительных материалов и ограждающих конструкций занимались О.Е. Власов, Б.Ф. Васильев, В.Д. Мачинский, К.Ф. Фокин, А.В. Лыков, В.П. Титов, Е.В. Мадведева и др [16, 17, 42, 43, 45, 46, 47, 63, 67,]. За рубежом значительные работы в это же время выполнялись Райшом и другими исследователями [71, 72, 73, 74, 74, 76].
Наиболее полные экспериментальные и теоретические исследования влияния фильтрации воздуха на температурный режим ограждений выполнены профессором Ф.В. Ушковым [66]. Группой научных работников под руководством профессора В.М. Валова в Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии ведутся исследования влияния инфильтрации и эксфильтрации воздуха на тепловлажностный режим ограждающих конструкций и разрабатываются конструкции воздухопроницаемых ограждений с использованием в экспериментальном строительстве [11-15].
Многосторонние исследования различных аспектов воздухопроницаемости и фильтрации были выполнены Р. Е. Брилингом [9]. В частности, он экспериментально определил воздухопроницаемость большинства строительных і ;і материалов и конструкций стен, применяемых в то время. представлены полученные Р.Е. Брилингом зависимости между расходом воздуха G, отнесенным кім2 площади образца, и перепадом давлений на образце АР. В таблицах 1.1. и 1.2 представлены опытные данные воздухопроницаемости строительных материалов и ограждающих конструкций
В таблице 1.2 приведены коэффициенты воздухопроницаемости полученные при разности давлений 1 мм.вод.ст.. Эти коэффициенты справедливы для материалов в состоянии естественной влажности и могут применяться при расчетных перепадах давлений до 5 мм.вод.ст.
Систематические исследования Р.Е. Брилинга завершились разработкой проекта норм воздухопроницаемости наружных ограждений, который в 1954 г. вошел в состав норм строительной теплотехники и в СНиП П-А.7-62.
Фильтрация неизотермического потока воздуха в ограждающей конструкции
Таким образом, установлено подобие, которое позволяет, просчитав на основании экспериментального опыта коэффициент фильтрации для одной конструкции, пересчитать для другой конструкции.
Для определения коэффициента фильтрации к и эффективного коэффициента сопротивления ограждения необходимо знать значение расхода воздуха проходящего через конструкцию, необходимо определить перепад давления на наружной и внутренней поверхностях и установить связь между перепадом давления и расходом воздуха.
Предположим, что эти величины известны. Тогда из уравнения энергии можно определить тепловой поток. Тепловой поток в твердом теле описывается законом Фурье. Согласно закону проводимости плотность теплового потока q пропорциональна градиенту температуры —-: дх где: Я - коэффициент теплопроводности, индекс s означает твердое тело. В общем обмене тепла в массоизолируемом помещение наряду с теплопроводностью большую роль играет конвекция. Конвективный перенос теплоты описывается уравнением: лг (2-12) q = mcpAi v где: тп- массовой расход воздуха, кг/(м2с); ср -теплоемкость воздуха, Дж/(кгС), AT - разность температур, С Массовый расход воздуха равен: m = pvy тогда уравнение (2.12) принимает вид: лг (2лз) q = pvcpAT Сравним тепловые потоки: дТ дх Я д и р\ср и і -кгМо одг 0,3 Получается, что тепловой поток за счет теплопроводности соизмерим с тепловым потоком за счет конвекции. Значит, заметную роль в переносе теплоты играет неизотермическая фильтрация воздушного потока сквозь ограждение.
При использовании воздухопроницаемых ограждающих конструкций тепловой поток выноситься, в том числе и за счет фильтрации воздуха.
Предлагается учитывать конвективный механизм переноса теплоты соизмеримый с кондуктивным механизмом переноса теплоты.
Тогда уравнение переноса теплоты имеет вид: д2Т dhdT (2.14) а—т к дх дх дх где а = — коэффициент температуропроводности, м2/с рр Тогда уравнение переноса теплоты принимает вид: Д= Д (2.15) dx а dx Предельные условия имеют вид: Т(0)-ТН=Т(1)-ТС=0 Вводятся числа подобия для фильтрационного потока KS KSU _ _ (2.16) a v a Re - фильтрационное число Рейнольдса, а-число Прандтля, Pe:=aRe фильтрационное число Пекле. Обозначим: кд —I = Pe-I = р - число подобия а Решение линейной задачи. Уравнение переноса теплоты (2.15) принимает вид: c?T_=RdT_ (2.17) _2 " dx dx Тогда: Z-pr-q (2Л8) дх А температура фильтрационного потока будет определяться так: T(x) = C2efi + (efi x-l) (2Л9) Если /З -» 0, то распределение температуры становится линейным: Г( ) = С2 + QJC (2-2) Это и понятно: при (3«1 доминирует теплопроводность, фильтрационный перенос исчезающе мал. Граничные условия: Г(0)-ГЯ=Г(1)-ГС=0 где Th - температура «горячей» стенки; тс - температура «холодной» стенки. 1) если /? 0 т=с/х С отсюда Т = - -(еРх-ї) + С2 С =Т где: Сх,Сг - постоянные интегрирования С Локальная температура равна: Т = ТН +—(еРх -1) Температура холодной стенки: Тс =ТН +—(ер -Г) Отсюда: " е -1 Значит: Т = Тн - -л— (Тн - Тс) Концентрация температуры равна: т-тс =1_(в -Р Таким образом, при/?-» О (коэффициент фильтрации стремится к 0) распределение температуры стремиться к распределению температуры в твердом теле. 2) пусть к = var ia -» fi = fi(x) д2Т -дт . тогда исходное уравнение принимает вид: —- - J3(x)—r = 0. дх дх Его первый интеграл: _ _ х - Ґ = С, exp(5(jc)) - B(x)=jj3(x)dx о Локальная температура определяется так: х T = TH+Cx\emdt о Отсюда: т -Т с — и с \eB(t)dt о Тогда: )emdt Т = ТН-(ТН-ТС)\ \emdt о Концентрация температуры равна: )edt Т -Т J в= с =1--? \emdt ?н-Тс Пусть р = р0х\ коэффициент фильтрации изменяется от 0 до max поперек стенки. Тогда: \ехр{Щ уИ в = \-\ V" \ехр{Щ-)сИ о 1 Тепловой поток переносимый фильтрующимся воздухом через ограждающую конструкцию можно определить следующим образом: 1) если /? 0 8 где: Л - теплопроводность воздуха, Вт/(мС) х=- ,0 х 1 8 0 - внутренняя поверхность конструкции, 1 - наружная поверхность конструкции. т —Т д(0) = Л-а—±р о т —Т д(1) = Л -к о і Ти-Т кспАР -j— 8 S Этот случай приводит к аномальному увеличению плотности теплового потока на наружной поверхности за счет слишком быстрого (экспоненциального) падения температуры в порах. Максимальная фильтрация на наружной поверхности, а минимальная на внутренней поверхности.
Коэффициент В определен исходя из того, что коэффициент фильтрации постоянный, но для слоистой стенки это не так. Таким образом, /? должна меняться вдоль стенки. Полагаю, что максимальный коэффициент фильтрации будет внутри, а минимальный снаружи. Полагаю, что в = B0(l-x)m. m -показатель степени, для определения которого использую массив экспериментальных данных.
В эти формулы явно входит коэффициент фильтрации воздуха сквозь ограждающую конструкцию. Для определения коэффициента фильтрации необходимы экспериментальные исследования.
Фильтрация неизотермического потока воздуха в ограждающей конструкции Применение формулы Дюпюи для средней скорости фильтрации «с ( I 1 постоянным и с переменным. значениям коэффициента фильтрации позволяет неконсервативной примеси « [. , Распределение .і концентраций)- связано с решением задачи на минимум положительного функционала. При малых значениях фильтрационного числа Рэлея экстремали мало отличаются от траекторий уравнения переноса. В области «больших» чисел Рэлея существуют экстремали, реализующие минимальное изменение концентрации температуры и теплового потока, т.е. максимальный прогрев стены горячим фильтрующимся воздухом.
Обработка результатов экспериментального исследования воздухопроницаемости ограждающих конструкций
Испытания проведены в натурных условиях в соответствии с ГОСТ 31167-2009 «Здания и сооружения. Методы определения воздухопроницаемости ограждающих конструкций в натурных условиях» [24].
Нормативные требования по уровню воздухопроницаемости ограждающих конструкций и кратности воздухообмена помещений содержатся в СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» [61]. Регламент испытаний описан в ГОСТ 31167-2009 [24] и в инструкции по эксплуатации испытательного стенда для определения воздухопроницаемости ограждающих конструкций зданий.
Сущность метода заключается в том, что в испытываемый объект (одиночное помещение) с помощью вентилятора нагнетают, а затем отсасывают из него воздух. Вентилятор с помощью воздухонепроницаемого полотнища и раздвижной рамы закрепляем в дверном проеме испытываемых помещений. После .включения вентилятора создаем стабильную разность давлении "между\ испытываемым объемом и наружной средой. В ходе испытаний регулируем расход воздуха через вентилятор для ступенчатого изменения разности "давлении ,v между наружным и внутренним воздухом. При фиксированном перепадег давления между испытываемым объемом и наружной средой измеряем расход воздуха через вентилятор. По результатам измерений вычисляем обобщенные характеристики воздухопроницаемости испытываемого объекта.
Процесс испытаний автоматизирован. Специальная компьютерная программа регулирует скорость вращения вентилятора, производит сбор результатов измерения расхода и давления, архивирует результаты и формирует протокол измерений.
Основными показателями эффективности вентиляции являются: расход приточного воздуха, требуемый для обеспечения санитарно-гигиенических норм и норм взрывопожарной безопасности. Воздухообмен в помещениях, обеспечиваемый і системой вентиляции, . должен обеспечивать нормируемую кратность воздухообмена и нормируемый удельный расход приточного воздуха.
Для выполнения работ по определению воздухопроницаемости ограждающих конструкций здания, объемов фильтрации и эффективности вентиляции использованы следующие контрольно-измерительные приборы и оборудование: испытательный стенд для определения воздухопроницаемости ограждающих конструкций зданий «Minneapolis Blower Door», термогигрометр CENTER 314, анемометр Meterman ТМА10, рулетка измерительная металлическая STAYER, персональный компьютер RoverBook Nautiluus Е400 WH.
Испытания проведены 30 ноября 2010 г. В указанный период температура воздуха в помещениях коттеджа составляла 24С, температура наружного воздуха составляла минус 7С, скорость ветра 1,5 м/с.
На период испытаний в помещении герметизированы вытяжные каналы вентиляции и технологические отверстия в стенах и перекрытиях. С помощью тепловизора ThermaCAM Р60 зав. № 23400825 проведена тепловизионная съемка и установлено следующее (приложение 1.2): 1. Щели в местах установки окон, примыканиях стен с кровлей отсутствуют. 2. Воздушный поток фильтруется через стенки. Установка испытательного стенда представлена на рисунке 3.6.
В период испытаний был проведен осмотр вентиляционных, дымовых каналов и контроль их состояния, замерены площади их сечения. Определены скорости движения и расхода воздуха в отверстиях вытяжных вентиляционных каналах. По данным измерений рассчитан фактический расход воздуха и кратность воздухообмена, обеспечиваемых системой вентиляции. Обследование вентиляции и определение параметров воздухообмена в помещениях здания производится в соответствии с требованиями СНиП 41-01-2003 [62], ГОСТ 12.3.018-79 «Системы вентиляционные. Методы аэродинамических испытаний» [22] с целью контроля эффективности вентиляции.
Вентилятор создает в помещение с площадью наружных стен А=21,6 м2 и 7,2 м2 перепад давления между внутренним помещением и наружным воздухом. Регулируя расход воздуха, = var, создается ступенчатое изменение давления АР = var. При фиксированном перепаде давления между испытываемым объемом и наружной средой измеряют расход воздуха через вентилятор.
Результаты испытаний, полученные при разности давлений наружного и внутреннего воздуха 50 Па, приведены в таблицах 3.2-3.3. Графики с экспериментальными данными и их аппроксимацией показаны на рисунках 3.7 -- / 3.8.
Пример расчета теплового потока, переносимого воздухом через стену , жилого коттеджа (количественная оценка величины переноса консервативной примеси (температуры и теплоты) фильтрационным потоком)
На основании установленных перепадах давления и расхода воздуха определяются значения параметров воздухопроницаемости (коэффициент фильтрации и эффективный коэффициент сопротивления) воздуха через ограждающую конструкцию (таблица 3.5).
Для перепада давления воздуха внутри и снаружи помещения 50 Па, расход воздуха равен 62 м /ч, площадь наружной стены А= 21,6 м , площадь ограждений помещения 77,04 м (помещение первого этажа).
Тогда скорость фильтрации воздушного потока сквозь легкую ограждающую конструкцию помещения первого этажа равняется: v = в2 = о,2235 -Ю-3-. 3600-77,04 с Средний коэффициент фильтрации равен: t = 0,2235-10-..,2.9,8.0,3 =-!д)/с 50 Эффективный коэффициент сопротивления легкой ограждающей конструкции помещения первого этажа составляет: С = — =-=- = 16,68. Ю8 1,2-(0,2235-Ю-3)2 Для перепада давления воздуха внутри и снаружи помещения 50 Па, расход воздуха равен 55 м /ч, площадь наружной стены А= 7,2 м , площадь ограждений помещения 58,32 м (помещение второго этажа). Тогда скорость фильтрации воздушного потока сквозь легкую ограждающую конструкцию равняется: v = - = 0,26-КГ3 3600-58,32 с Средний коэффициент фильтрации равен: , 0,26-10-3-1,2-9,8-0,3 1Я. 1П_5 , к = = 1,85-10 м/с. Эффективный коэффициент сопротивления легкой ограждающей конструкции составляет: = 2 50 з = 12,14-108 1,2 -(0,26-10"3)2 Коэффициента фильтрации при перепаде давления воздуха внутри и снаружи помещения 50 Па находится в пределах = 1,58-10"5 м/с для комнаты с площадью наружной стены 21,6 м2 (помещение первого этажа), к = 1$5 10 м/с для комнаты с площадью наружной стены 7,2 м (помещение второго этажа). Средний коэффициент фильтрации экспериментально исследуемой легкой ограждающей конструкции равен к = \,%-10 м/с#
Исходя из того, что по порядку величин коэффициента фильтрации установлено ламинарное движение, то стена насыщена воздухом и применим закон Дарси или его гидравлический аналог Дюпюи.
Зависимость коэффициента фильтрации, к, м/с, от градиента напора, J,IJa/M,ne установлена, т.е. зависимость линейная (рисунок 3.9).
Показано, что средний коэффициент фильтрации экспериментально исследуемой легкой ограждающей конструкции равен = 1,8-10 М/Сщ Таблица 3.5. Значения параметров воздухопроницаемости (коэффициента фильтрации и эффективного коэффициента сопротивления) воздуха через ограждающую конструкцию
В результате экспериментальных исследований установлено, что: 1. Исходя из того, что фильтрация воздуха реализуется в условиях ламинарного режима движения, и стена насыщена воздухом, то применим закон Дарси или его гидравлический аналог - закон Дюпюи. 2. Эмпирическое выражение для коэффициента фильтрации lgw С lgio ( 100000) = 2,29, связывающее коэффициент потерь напора и коэффициент фильтрации. Коэффициент фильтрации экспериментально исследованной легкой ограждающей конструкции составляет k = 1,8 10"5 м/с. 3. Средняя воздухопроницаемость ограждающих конструкций при закрытых вентиляционных каналах в испытанных помещениях здания и разности давлений внутреннего и наружного воздуха 50 Па обеспечивает воздухообмен кратностью: п5о = 2,0 ± 0,18 ч"1; 4. Воздухопроницаемость конструкций и кратность воздухообмена в испытанных помещениях соответствует нормативным требованиям. 5. Установлен закон подобия, связывающий коэффициент фильтрации и теплоемкости изученной конструкции легкого ограждения: N = 5,7
На основании результатов теоретических и экспериментальных исследований рекомендуются решения для определения кратности воздухообмена замкнутого помещения от фильтрации воздуха через ограждающие конструкции и определения фильтрационного теплового потока.
На основании результатов теоретического и экспериментального исследования кратность воздухообмена от фильтрационного воздуха определяем при разности давлений наружного и внутреннего воздуха 50 Па в следующей последовательности:
Рассчитаем кратность воздухообмена от инфильтрируемого воздуха жилых комнат двухэтажного коттеджа при разности давлений наружного и внутреннего воздуха АР =50 Па. Толщина конструкции 5 =0,3 м. Кратность воздухообмена п50=2 ± 0,18 ч"1, п=п50/20=0,1 ± 0,18 Допускается в одноквартирных домах, имеющих систему вентиляции с естественным побуждением, приближенный расчет кратности воздухообмена -і помещений в естественных условиях п, ч , по эмпирической формуле [24]: п Как видно из приведенных расчетов значение п=0,1 для помещений второго этажа №5, 2. В остальных помещениях п=0,3. Кратность воздухообмена зависит от формы помещения (от размеров параллелепипеда.)
Похожие диссертации на Неизотермическая фильтрация воздуха через ограждающие конструкции замкнутых помещений
