Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор отечественной и зарубежной литературы по эволюционному развитию строительных конструкций, инженерных систем и особенностям микроклимата храмов 14
1.1. Основные сведения о православных храмах 14
1.2. Конструктивные решения систем создания и поддержания микроклимата в храмах XVII-XX веков 22
1.3. Основные факторы, определяющие параметры микроклимата в помещении 27
1.4. Аэродинамика, аэрация, тепло- и массообмен в зданиях 42
1.5. Обзор работ по исследованию теплового режима оконных откосов и остекления оконных проемов 65
1.6. Влияние температурного режима грунта на микроклимат подклета храмов 92
Выводы по главе 1 100
Цели и задачи исследований 101
Глава 2. Теоретические основы исследуемых аэродинамических и тепло-массообменных процессов 105
2.1. Аэродинамика зданий и сооружений 105
2.2. Аэрация православных храмов 115
2.3. Теплообмен в храмах при естественной конвекции 121
2.4. Математическая модель формирования температурных и
скоростных полей в конвективном потоке от линейного горизон
тального источника тепла 130
2.4.1. Теоретические основы тепло- и массообмена на внутренних поверхностях наружных ограждающих конструкций 130
2.4.2. Основные уравнения 135
2.4.3. Уравнения естественной конвекции 136
2.4.4. Приближения 137
2.4.5. Метод автомодельной переменной 144
2.4.6. Случай неизотермической поверхности 146
2.4.7.0ценка по максимуму условий взаимодействия потоков 150
2.4.8. Приближённые методы анализа 151
2.4.9. Интегральное уравнение пограничного слоя 154
2.4.10. Развитие пристеночной конвективной струи вдоль вертикальной поверхности 168
2.4.11. Оценка критической длины 185
2.5. Решение задачи формирования температурных полей зоне оконного откоса 187
2.5.1. Расчет теплового режима оконного откоса 199
2.5.2. Решение задачи формирования температурного режима остекления оконных проемов 209
2.5.3. Расчет теплового режима остекления оконных проемов 215
2.6. Тепловой режим заглубленных ограждающих конструкций храмов 223
Выводы по главе 2 237
Глава 3. Экспериментальные исследования 240
3.1. Планирование экспериментальных исследований 240
3.2. Методика экспериментальных исследований 247
3.2.1. Определение аэродинамической характеристики сооружений.. 248
3.2.2. Определение скоростных полей около внутренних поверхностей ограждающих конструкций 253
3.2.3. Определение температурных полей на внутренних поверхностях ограждающих конструкций 254
3.3. Результаты экспериментальных исследований 257
3.3.1. Аэродинамика храмов 257
3.3.2. Тепло- и массообмен в православных храмах 259
3.4. Оценка точности измерений 261
3.5. Методика исследований теплового режима оконных откосов православных храмов 262
3.6. Методика исследований теплового режима остекления оконныхпроемов 267
3 .7. Исследование теплового режима оконных откосов 269
3.8. Исследование теплового и воздушного режимов остекления оконных проемов 277
3.9. Оценка погрешности экспериментальных исследований оконных проемов 282
3.10. Исследование температурного режима грунта 286
3.10.1. Определение удельного теплового потока в грунте 286
3.10.2. Расчет и анализ значения коэффициента теплопотерь в грунте 295
3.10.3. Оценка точности измерений 298
Выводы по главе 3 299
Глава 4. Инженерная методика расчёта параметров микроклимата ... 302
4.1. Тепловой баланс помещений храмов 302
4.2.Общие положения для проектирования систем кондиционирования микроклимата храмов 303
4.3. Допустимые и оптимальные параметры внутреннего воздуха храмов 304
4.4. Требования к теплозащите ограждающих конструкций 305
4.5. Теплоснабжение 307
4.6. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха 307
4.7. Воздухообмен в помещениях храма 312
4.8. Организация воздухообмена 314
4.9. Электроснабжение и автоматизация 316
4.10. Пожарная безопасность І 316
4.11. Пример расчета воздухообмена центральной части храма для холодного периода года 316
4.12. Методика расчета требуемого воздухообмена с использованием аэродинамических коэффициентов 323
4.13. Расчет теплопотерь через оконные проемы и откосы церквей. 330
Выводы по главе 4 333
Заключение 334
Выводы по диссертации 335
Библиографический список 339
Приложения 383
- Обзор работ по исследованию теплового режима оконных откосов и остекления оконных проемов
- Теоретические основы тепло- и массообмена на внутренних поверхностях наружных ограждающих конструкций
- Определение температурных полей на внутренних поверхностях ограждающих конструкций
- Пример расчета воздухообмена центральной части храма для холодного периода года
Введение к работе
При реконструкции, восстановлении или строительстве церквей и культовых сооружений серьёзное внимание в настоящее время уделяется в основном архитектурным вопросам.
За период правления Советской власти в России существующие культовые здания и сооружения уничтожались или использовались в качестве складов, гаражей, планетариев, механосборочных мастерских и т.д. Существовавшие в них инженерные системы практически полностью разрушились в связи с отсутствием квалифицированной эксплуатации в течении многих десятилетий. Специальная литература по инженерному оборудованию соборов и церквей сохранилась лишь в церковных библиотеках. В архивах библиотек крупных городов мало информации по особенностям конструирования систем кондиционирования микроклимата таких сооружений. В настоящее время культовые сооружения отнесены к памятникам истории, архитектуры и культуры.
Основной целью исследований является разработка теоретических основ и практических рекомендаций для реконструкции и проектирования конструкций наружных стен, покрытий, заполнения световых проемов и систем кондиционирования микроклимата, обеспечивающих улучшение микроклиматических условий для эффективного сохранения художественной росписи, фресок, станковой живописи и предметов культовых обрядов в уникальных сооружениях. Для достижения поставленной цели следует на основе результатов теоретических и экспериментальных исследований решить ряд задач.
Необходимо, во-первых, разработать нормативные параметры микроклимата в уникальных сооружения; во-вторых, разработать физико-математическую модель формирования скоростных и тепловлажностных полей на наружных ограждениях при действии встречных охлажденных и нагретых воздушных потоков и провести сравнительную оценку результа-
9 тов теоретических и экспериментальных исследований; в-третьих, разработать методику расчета тепловлажностной оценки микроклимата строящихся, восстанавливаемых и реконструируемых соборов, обеспечивающего сохранность фресок, станковой живописи и предметов культовых обрядов; в-четвертых, следует провести комплексные теплотехнические исследования и разработать методику расчета параметров микроклимата с учетом теплозащитных свойств ограждающих конструкций и особенностей температурно-влажностных условий у поверхностей элементов конструкций оконных переплетов, стен и покрытий; в-пятых, определить аэродинамические характеристики на наружных поверхностях ограждающих конструкций основных форм храмов и их элементах; в-шестых, разработать комплекс мер и методов для обеспечения постоянной равновесной влажности заглубленных ограждающих конструкций соборов и церквей; в-седьмых, на основе технико-экономического анализа установить эффективность разработанных мероприятий по исключению конденсации пара при контакте внутреннего воздуха помещения с поверхностью фресок, икон и предметов культовых обрядов на основе оптимального воздухообмена с учетом требуемого перепада температуры.
В современной нормативной литературе отсутствуют требуемые параметры микроклимата для подобных уникальных сооружений.
Комфортность тепловой обстановки в помещении зависит не только от количества поступающей теплоты, но и от места установки нагревательного прибора, а также от его геометрии. Нагревательные приборы, компенсируя теплопотери, должны также выполнять роль локализаторов источников холода в помещении. Поэтому нагретая поверхность прибора и струя теплого воздуха должны предупреждать радиационное переохлаждение и попадание холодных токов воздуха в обслуживаемую зону помещения.
Идеальным в этом отношении является, когда все наружные ограждения равномерно обогреваются и в помещении отсутствуют охлажденные
10 поверхности.
В церковных сооружениях постоянство внутренней температуры обеспечивается работой систем отопления и массивностью наружных ограждающих конструкций (стен) храма. Во время служб происходит возрастание температуры на 2ч-4С из-за повышения тепловыделений от людей и от горящих свечей.
Изменение значений относительной влажности воздуха в течении суток в холодный период года незначительно. Относительная влажность воздуха в церкви изменяется в пределах фв=10ч-25%. Во время службы, а также в период оттепелей относительная влажность внутреннего воздуха повышается до 35ч-55%, что не превышает нормативных значений.
В течении переходного периода значения относительной влажности имеют значения от 55 до 65%.
Отсутствие вентиляции в храме приводит к заметному колебанию относительной влажности воздуха в периоды престольных праздников при длительном пребывании большого количества людей в помещении храма.
Для предотвращения конденсации водяных паров в холодный период года на внутренних поверхностях куполов, оконных откосов и стен храма необходимо с помощью организованного воздухообмена удалить из помещения влагу, выделяемую людьми.
Для достаточно разностороннего восприятия результатов деятельности человека рассмотрим краткую историю строительства каменных церковных зданий в Нижнем Новгороде.
До XVII века в строительстве каменных храмов на Нижегородской земле было весьма редким явлением. Летописные источники отмечают строительство первых каменных соборов в Нижегородском кремле в XIII веке. В пору политической самостоятельности Нижнего Новгорода, когда он становится столицей удельного Нижегородского княжества, заново перестраиваются кремлевские соборы: в 1352 г. Спасский собор и в 1359 г. собор Михаила Архангела. В подчиненном московскому митрополиту ни-
жегородском Благовещенском монастыре в 1370 г. митрополитом Алексием возродится каменная Благовещенская церковь. В 1371 г. строится первая каменная посадская церковь на Нижегородском посаде - церковь Николы на торгу.
К сожалению, ни одно из каменных зданий XIV века Нижнего Новгорода не сохранилось. Судить об их архитектуре можно лишь по косвенным данным. Не имеется практически ни каких сведений о двух построенных в Нижегородском Печорском монастыре, каменных храмах, которые, как сообщает летопись, были полностью уничтожены вместе с остальными монастырскими строениями мощным оползнем 1597 г.
За пределами Нижнего Новгорода каменное строительство почти не велось. В 1552 г. в Балахне была выстроена каменная шатровая Никольская церковь в Покровском монастыре, кстати, единственная храмовая постройка XVI века в Нижегородской области, дошедшая до наших дней. Известна также другая каменная церковная постройка XVI века - колокольня Дудина Амвросиева монастыря (1593 г.) (ныне с. Подъяблонное, Богородского района). Она была разобрана в середине XIX века, но ее облик был зафиксирован в обмерах Л.В. Даля.
Восстанавливаемые в настоящее время церкви возводились, как правило, в XVIII-XIX веках. Они предназначались для круглогодичной работы или для эксплуатации только в теплый период года. На производительность и эффективность работы систем отопления и вентиляции церквей кроме продолжительности работы храма в течение года оказывают влияние их объемно-планировочные и конструктивные особенности. Например, шатровые здания, в отличие от церквей с закомарным (купольным) покрытием, не имеют под сводами застойных (невентилируемых) зон.
Уникальные сооружения, построенные с XVI в. до начала XX века, по теплотехническим характеристикам наружных стен являются аналогами зданий, которые по нормативным требованиям необходимо строить с 2000 года. Полученные данные позволят создавать и поддерживать требуемые
12 параметры микроклимата в существующих, восстанавливаемых и вновь строящихся храмах.
Особенности обрядов и служб в православных церквях вызывают повышенные требования к интерьеру и акустике. Поэтому доминирующим является организованный аэрационный воздухообмен в течение всего периода эксплуатации.
Однако наибольшее внимание при изучении аэродинамики воздушных потоков внутри и снаружи сооружений, тепло- и массообмена на внутренней поверхности наружных ограждений уделено промышленным зданиям и некоторым типам бытовых, по ряду характеристик отличающихся от уникальных сооружений. При рассмотрении тепловой гравитационной конвекции внутри сооружений необходимо учитывать многочисленные особенности уникальных сооружений.
Культовые сооружения представляют собой сложные конструкции, в которых боковые приделы отгораживают основной приход от внешнего воздействия окружающей среды. Дело в том, что приделы имеют по три наружных стены с фрамугами для циркуляции наружного воздуха, а основной приход не имеет наружных стен, в которых могли бы разместиться фрамуги. Над основным залом (приходом) располагается барабан, в котором и размещаются фрамуги. Такое расположение окон обусловлено стремлением вовлечь в процесс аэрации по возможности большее количество воздушных масс. Приделы и приход соединены между собой, что позволяет наружному воздуху проникать через приточные фрамуги придела и барабана и, смешиваясь с внутренним воздухом, удалять тепло-влагоизбытки через вытяжные фрамуги приделов и центрального барабана. Отсутствие данных по аэродинамике зданий храмов приводит к неточным результатам при расчёте аэрационных воздухообменов. Целью исследований является разработка теоретических основ и практических рекомендаций по созданию и поддержанию микроклиматических условий, определяемых изменением параметров внутреннего воздуха вдоль верти-
13 кальных наружных ограждающих конструкций, в зависимости от интенсивности и характера воздушных потоков, обтекающих здание, а также влиянием элементов конструкций на тепловой и воздушный режимы помещений православных храмов.
В представленной рукописи приведены теоретические основы процессов аэродинамики и аэрации, математическое описание аэродинамических процессов на наружных поверхностях ограждений, методика и результаты экспериментальных исследований по изучению аэродинамических характеристик сооружений, инженерная методика расчёта параметров внутреннего воздуха на внутренних поверхностях наружных ограждений. Результаты математических расчётов и экспериментов представлены в приложениях.
Поддержание требуемых температурно-влажностных условий внутри помещений необходимо не только для комфортного состояния людей, но и для сохранности строительных конструкций, художественной росписи, икон и предметов культовых обрядов.
В работе проанализировано эволюционное развитие различных элементов конструкций соборов и церквей XVIII-XIX веков, находящихся в Н.Новгороде и Нижегородской области, приведены результаты теоретических и практических исследований аэродинамических характеристик зданий храмов для создания и поддержания требуемых микроклиматических условий в помещениях культовых зданий и сооружений за счет рационального воздухообмена, изложены инженерные методы расчетов аэраци-онных воздухообменов.
Автор выражает глубокую благодарность профессорам В.И.Бодрову, Ю.А.Табунщикову, доцентам Р.А.Дуднику, Г.М.Казакову, кандидатам технических наук Ю.В.Осипову, А.С.Сергиенко, М.А.Кочевой, инженерам В.А.Миридонову, Е.Н.Семиковой и сотрудникам кафедры "Отопление и вентиляция" ННГАСУ за помощь в написании данной рукописи.
Обзор работ по исследованию теплового режима оконных откосов и остекления оконных проемов
Проектирование и поддержание оптимального теплового и воздушного режимов в помещениях здания имеет в виду рассмотрение в совокупности ряда вопросов, среди которых следует отметить: 1) теплообмен и аэродинамику потоков воздуха в ограниченном объеме помещений и снаружи здания; 2) оптимизацию и обеспеченность необходимых климатических условий в помещении; 3) установление характеристик наружных климатических воздействий на здание; 4) теплопередачу через наружные ограждения, а также в зданиях и инженерных системах обеспечения микроклимата; 5) режим и условия работы и регулирования систем отопления-охлаждения и вентиляции помещений с учетом нестационарности процессов в расчетные зимние и летние периоды и их изменчивости в течение года. Восстановление, реконструкция и новое строительство православных храмов требует решения наряду с архитектурно-строительными и те-плофизических задач. Среди факторов, оказывающих влияние на параметры микроклимата в помещениях соборов и церквей, следует отметить несколько основных, к которым относятся температура наружного воздуха, термическое сопротивление ограждающих конструкций, количество прихожан в храме, число зажженных свечей, наличие систем поддержания параметров микроклимата. Все эти факторы в совокупности формируют температурно-влажностный режим внутри помещений, который необходимо поддерживать на требуемом уровне. Современный уровень строительства предъявляет высокие требования к внутреннему микроклимату зданий, а также поддержанию в зданиях комфортных условий, которые могут быть обусловлены санитарно-гигиеническими и технологическими требованиями [40, 73, 88, 124, 184, 289, 295,325, 327, 329, 330]. Кроме того, чтобы поддерживать требуемые параметры микроклимата в помещениях зданий с помощью систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, на их работу расходуется до 40 % твердого и газообразного топлива и до 10 % вырабатываемой в стране электроэнергии [23, 37, 53, 358]. Удельные расходы теплоты на 1м общей площади гражданских зданий возросли с начала 60-х годов до начала 90-х годов XX в. примерно на 404-50 % [23]. Большое влияние на создание необходимого микроклимата помещений оказывают оконные проемы, основное назначение которых состоит в том, чтобы оградить помещение от влияния окружающей среды и одновременно обеспечить в рабочей зоне помещения требуемый уровень освещенности и возможность визуального контакта с окружающей средой [9]. В рамках данной главы автор рассматривает только основные параметры окружающей среды, влияющие на тепловые ощущения людей и оптимальные условия эксплуатации конструкций ограждений, в рамках обозреваемой проблемы. Детальное же рассмотрение всех параметров микроклимата и их всестороннее воздействие на человека приведено в специальной литературе [14, 32, 33, 40, 88, 93, 124, 132, 141, 177, 184, 222, 269, 289, 315,409, 423,451,452, 456]. Тепловой комфорт - это метеорологические условия, обеспечивающие оптимальный уровень физиологических функций, в том числе и тер-морегуляторных, при субъективном ощущении комфорта [93]. Согласно трактовке В.Н.Богословского [32, 33], комфортной обстановкой считается такая температурная обстановка в помещении, при которой человек, находясь в помещения, не испытывает перегрева или переохлаждения. В течение многих лет для расчета комфортных параметров использовалась так называемая эффективная температура [428].
В нашей стране в конце XIX - первой половине XX в. в большинстве случаев пользовались нормами, разработанными на базе норм Германии, либо шкалами эффективных и эквивалентно-эффективных температур [11, 70, 71, 226, 247, 291, 383, 397, 412, 431].
Одной из первых работ в области теплофизики и отопления, по всей видимости, следует считать работу П.Сальмоновича [304], основные положения которой находят отражение в последующих работах. В это время в развитие строительной теплотехники и отопительно-вентиляционнои науки большой вклад внесли Б.М.Аше, В.М.Чаплин, А.К.Павловский, Р.Е.Брилинг, О.Е.Власов, В.В.Кучерук, В.В.Батурин, П.Н.Каменев, С.М.Гришечко-Климов, В.Д.Мачинский и другие [11,15, 19, 48, 72, 89, 90, 123,146, 156,194, 195, 224, 225, 226, 239, 247, 248,315, 397, 398].
Со второй половины XX в. до настоящего времени В.Н.Богословский, Б.Ф.Васильев, Ф.В.Ушков, К.Ф.Фокин, Ю.Я.Кувшинов, Ю.А.Табунщиков, В.К.Савин, В.М.Ильинский, А.Н.Сканави, Б.А.Крупнов и другие отечественные ученые [27, 31, 32, 33, 63, 64, 69, 81, 106, 124, 131, 132, 161, 165, 177, 184,187, 188, 190, 202, 112, 160, 269, 283, 294, 295, 299, 320, 352, 353, 358, 372, 375, 377, 384, 392, 423] провели и делают большую работу по исследованию теплофизики строительных конструкций и влияния различных параметров микроклимата на комфортность обстановки в помещении.
Исторический обзор работ отечественных и зарубежных ученых в области исследования теплофизики ограждающих конструкций и теплового комфорта помещения в силу своей обширности и узости данной работы затруднителен, и отдельные исследования в рамках интересующей проблематики автор рассматривает далее в этой и других главах. В первую очередь, должны быть выдержаны нормы по составу воздуха помещения [400]. Оптимальные и допустимые метеорологические условия в обслуживаемой зоне жилых, общественных, административно-бытовых и производственных помещений принимаются по [325]. Кроме санитарно-гигиенических и технологических требований, определяющих внутренние тепловые условия, которые должны быть выдержаны в течение отопительного периода, важным во всех случаях является вопрос о степени обеспеченности заданных внутренних условий. Обеспеченность условий оценивают коэффициентом обеспеченности К0б, который показывает (в долях единицы или процентах) число случаев, при которых недопустимо отклонение от заданных расчетных условий [33,188]. Основные составляющие теплоотдачи человеческого тела - конвекция, излучение (радиация), теплопроводность (кондукция), испарение. Конвективная теплоотдача составляет примерно 32ч-35 % всей теплоотдачи [14, 93]. К конвекции относят также и тепло, отдаваемое путем теплопроводности (кондукции), которое, как правило, незначительно. Существенное влияние на интенсивность теплоотдачи оказывает скорость движения окружающего воздуха [116].
Теоретические основы тепло- и массообмена на внутренних поверхностях наружных ограждающих конструкций
Опыты Эйфеля с влиянием масштаба модели на спектры давлений на конструкции зданий также показали совпадение спектров для трех моделей последовательно уменьшенных размеров, причем совпадение таково, что не выходит за пределы точности опытов. Сравнение масштабов было взято в достаточно широких пределах - самая малая модель во столько раз была меньше большой, во сколько последняя модель была меньше здания высотою 17 м и длиною и шириною 20 м.
Целый ряд исследований был произведен в последующие годы различными учеными [179]. В большинстве случаев такие эксперименты ставились с целью разработки проектов больших ангаров, устанавливаемых на открытых местах, и защиты от ветра находящихся вблизи них дирижаблей, и не преследовали целей общего изучения вопроса.
Весьма интересными для суждения о ветровых нагрузках на здания являются производившиеся в 1924-1925 гг. опыты ЦАГИ сотрудниками К.А.Бункиным и А.М.Черемухиным [54, 179, 443]. В этих исследованиях проводилось систематическое изучение влияния на нагрузки следующих переменных: 1. Направления ветра в горизонтальной плоскости (брались углы 0, 45 и 90). 2. Профиля крыш. Были исследованы крыши плоские, двухскатные, полукруглые и многоугольные, причем у двухскатных и полукруглых крыш отношение высоты крыши к ее основанию было последовательно равно 1/8, 1/4 и 1/2. 3. Высоты стен. Брались высоты, изменявшиеся в отношении 1:1,75:2,25. 4. Карнизов. Модели имели основание 200x300 мм и продувались при скоростях около 20 м/с. Метод исследования позволял изучать давления по всей поверхности каждой из граней модели и таким образом находить для них средние нагрузки. Результаты опытов ЦАГИ дают богатый количественный материал, рассмотрение которого позволяет сделать следующие выводы: 1. Средние давления ветра на единицу площади на наветренные стены дома (с различными формами крыш) при различных направлениях ветра не превышают 0,66-Рд, при этом максимальные местные давления оказываются не большими 0,9-Рд. Средние отрицательные давления на подветренные и боковые стенки в то же время не превосходят величины -0,5-Рд, при максимумах до -0,95-Рд. Влияние на нагрузки стен очертаний крыш относительно не велико. 2. Крыши всегда находятся под действием отрывающей их силы, величина которой уменьшается по мере увеличения крутизны скатов. Среднее давление на скатах может достигать величины -0,92 Рд, при этом оно обычно больше для наветренного ската, чем для подветренного; местные максимальные нагрузки могут получаться до -2,0-Рд в случае плоских крыш, для более крутых они снижаются до -1,3-Рд. 3. Увеличение высоты здания повышает средние отрицательные нагрузки на стенах и крыше. 4. Присутствие карнизов не вносит существенных изменений в величины средних давлений. 5. Наличие открытых дверей, окон, люков может изменять среднее давление внутри здания в довольно значительных пределах (от +0,8-Рд до -1,5-Рд), однако для практических целей колебания давлений внутри зданий следует полагать не превышающими ±0,6-Рд. Для изучения сил ветра, действующих в естественных условиях, наблюдения производили Дриден и Хилл (1930 г.), Байлей (1933 г.), Реттер и Талиев (1935 г.), Генин и Осипов (1937 г.) [144]. Обычная методика указанных исследований почти совпадала с методом дренирования, применяемым на моделях. Основные затруднения в данном случае заключаются в колебаниях скорости и направления ветра, необходимости замера скорости ветра в дали от здания в силу искажения потока воздуха. Испытания полых моделей простых типов проводили Эйфель, Бун-кин и Черемухин [54], Реттер, Ирмингер и Ноккентвед [287], Кучерук и Рекашев[194, 195]. Аэродинамические испытания зданий с двухскатной кровлей производили Рынин, Эйфель, Бункин и Черемухин, Прандтль, Ирмингер и Нок-кентвед, Сильвестер, Купар, Аллар [287]. Исследования Эмсуайлера и Рандаля (Чикагский университет, США) выразились, с одной стороны, в работах лабораторного характера для выяснения некоторых общих принципов и для испытания действия ветра на моделях производственных зданий, поставленных в потоке аэродинамической трубы, с другой, в многочисленных наблюдениях непосредственно в самих заводских помещениях. В результате этого исследования Эмсуайлер и Рандаль пришли к убеждению, что наблюдаемые закономерности позволяют так проектировать заводские здания, что использование ветра в соединении с использованием разницы температур внутри и вне помещения дает возможность довольно точно давать необходимые обмены воздуха в помещении.
Также ими было исследовано влияние степени открытия рам окон на количество проходящего воздуха под влиянием ветра, на основании чего они пришли к следующим выводам: при открытии оконной рамы на первые 15 проходит 25 % того количества воздуха, который проходит при полном открытии, следующие 15 открытия прибавляют 22 % потока воздуха, третьи 15 дают еще 19 %, четвертые 15 - 16 %, пятые 15 -12 % и наконец последние 15 - 6 % полного количества. Обширные исследования аэродинамики зданий, аэрации помещений, микрорайонов и промышленных площадок провел Э.И.Реттер [284-f-288].
Наиболее полно процессы обтекания зданий воздушным потоком рассмотрены в книге [285], в которой автор излагает основы методики определения аэродинамических характеристик зданий, а также рассказывает о закономерностях движения воздуха внутри сооружений при различном их расположении по отношению к набегающему воздушному потоку.
Определение температурных полей на внутренних поверхностях ограждающих конструкций
Планирование эксперимента - это выбор числа и условий проведения опытов, необходимых и достаточных для решения поставленной задачи с требуемой точностью. Основные этапы планирования эксперимента: 1. Минимизация числа опытов, времени их выполнения. 2. Реализация специальных планов эксперимента, предусматривающих одновременное варьирование всеми переменными. 3. Использование аппарата математической статистики для формализации экспериментов и принятия обоснованных решений после каждой их серии. Одним из условий применения моделей для продувки в аэродинамической трубе является ограничение соотношения максимальных размеров модели и элементов рабочей части аэродинамической трубы: модель должна быть настолько велика, насколько это совместимо с необходимостью избегать нежелательного влияния границ рабочей части трубы, т. е. эффекта загромождения моделью поперечного сечения потока и загромождения попутной струёй. Трёхмерные модели, испытываемые на малых скоростях, не должны иметь максимальный размер, превосходящий 0,7 ширины рабочей части [276].
Одной из трудных задач при испытании моделей в аэродинамической трубе является установление такого качества воздушного потока, который был бы подобен ветру в натурных условиях. Использование критерия Re при уменьшении размеров натуры в сотни раз приводит к необходимости увеличивать скорость воздушного потока в аэродинамической трубе во столько же раз. При таком увеличении скорость воздушного потока в аэродинамической трубе достигала бы значений 50-И00 м/с и более, при которых критерий Re не применим [285]. Дело в том, что при увеличении скорости потока свыше 100 м/с становится ощутимым влияние сжимаемости среды [380]. Однако, так как форма культовых сооружений весьма далека от удобообтекаемой, можно принимать, что независимо от критерия Re аэродинамический коэффициент cv является функцией только формы здания и его расположения по отношению к направлению набегающего невозмущённого воздушного потока: моделирование плохообте-каемых сооружений в широких интервалах изменения критерия Re дают надёжные результаты, расхождения которых находятся в пределах ошибки опытов [5, 6,122, 148, 268, 285, 288, 290].
Естественной конвекции присущи особенности, отличающие её от других процессов течения и теплообмена. Поэтому при изучении естественной конвекции часто приходится прибегать к специальным методам.
Как и в большинстве экспериментальных исследований, при изучении естественной конвекции возникают главным образом два основных вопроса, связанные с проведением экспериментов. Первый относится к методике измерений и измерительному оборудованию, т. е. к способам создания течений и другим аналогичным проблемам, связанным с обтеканием вертикальной стенки с изменяющимися параметрами по высоте. При проектировании установки, предназначенной для экспериментального исследования поставленной задачи, необходимо использовать обширную теоретическую информацию, представленную в [109].
Основной целью измерений при естественной конвекции является определение параметров течения и теплообмена. Для этого требуется измерить поля скорости и температуры и тепловые потоки. Благодаря наличию градиентов параметров течения и градиентов плотности, возникающих в поле температуры, для изучения характеристик переноса тепла можно применять также различные методы визуализации, как качественные, так и количественные.
Известно [10], что традиционные методы экспериментальных исследований предусматривают, как правило, установление однофакторнои зависимости y=f(x) при некотором постоянном значении остальных факторов, для чего требуется, не считая повторений, проведение не менее 4-г5 опытов. При большом количестве первичных факторов, влияющих на искомый параметр, число опытов резко возрастает. Если каждому из к факторов задавать п уровней, то число опытов N = nk [10, 84, 85] получается таким большим, что провести все опыты не всегда оказывается возможным.
При планировании по схеме полного факторного эксперимента реализуются все возможные комбинации факторов на всех выбранных для исследования уровнях.
Если эксперименты проводятся только на двух уровнях, при двух значениях факторов и при этом в процессе эксперимента осуществляются все возможные комбинации из к факторов, то постановка опыта по такому плану называется полным факторным экспериментом типа 2к. Уровни факторов представляют собой границы исследуемой области по изучаемому технологическому параметру.
В нашем случае при постановке экспериментов по нахождению аэродинамических коэффициентов необходимо придерживаться равенства критериев Re. Помимо этого в широких пределах значений критерия Re процесс обтекания здания воздушным потоком становится автомодельным относительно критерия Re [268, 270, 288]. При постановке экспериментов по нахождению температурных и скоростных полей около внутренних поверхностей наружных ограждений основными критериями на начальном участке развития конвективной струи являются критерии Рг и Gr. По мере удаления от передней кромки вниз по потоку постепенно возрастает роль критерия Re.
Таким образом, максимальное количество экспериментов не должно превышать: по аэродинамике - двух, а по тепломассообмену - четырёх.
Однако при проведении экспериментов по определению скоростных и температурных полей около внутренних поверхностей наружных ограждающих конструкций для культовых сооружений одним из основных препятствий повышения достоверности получаемых результатов является значительная тепловая инерционность одних ограждений и незначительная тепловая инерционность других. Другой особенностью являются архитектурные решения наружных ограждающих конструкций культовых сооружений. Указанные причины затрудняют, а в некоторых случаях делают невозможным моделирование процессов тепломассообмена для условий внутренней задачи.
Пример расчета воздухообмена центральной части храма для холодного периода года
При организации воздухообмена следует учитывать неравномерность выделения вредностей в храмах, связанных с проведением служб. Во время проведения служб поступления тепла, влаги и углекислого газа (СОг) от людей, окиси углерода (СО) и тепла от горящих свечей достигают максимальных величин. В перерывах между службами концентрации вышеперечисленных поступлений минимальны, и здание, в основном, находится под воздействием наружных условий.-Организация воздухообмена должна обеспечить благоприятный микроклимат для каждого режима.
При отсутствии специальных требований к воздушной среде здания храма рекомендуется следующая система организации воздухообмена: большую часть времени здание обслуживает приточная система с механическим побуждением, производительность которой определена по усредненным показателям тепло- и влагопоступлении, характерным для данного здания. Приточный агрегат оснащается фильтром для очистки от пыли, калорифером и оросительным устройством для нагрева и увлажнения воздуха в зимнее время года. Оросительное устройство при определенных наружных условиях может быть использовано для "испарительного" охлаждения в теплый период.
Приточный воздух в многопридельных храмах рекомендуется распределять зонально в каждый придел. 4. Раздачу воздуха, если позволяют конструкции и интерьер здания, следует производить в нижнюю зону. 5. Удаление воздуха из помещений храма следует предусматривать из верхней зоны с помощью вытяжных отверстий, расположенных в барабанах куполов или через заполнения световых проемов в верхней зоне храма. Такая схема, помимо эффективного удаления влаги, решает проблему отопления барабанов, повышая температуру на внутренних поверхностях стен, термическое сопротивление которых значительно ниже, чем для основных конструкций и предотвращает выпадение конденсата на поверхности. 6. Вытяжные отверстия, расположенные в барабанах следует оснащать заслонками с электроприводами дистанционного управления и "не-задуваемыми" козырьками или аэрационными устройствами, обеспечивающими заданную кратность воздухообмена. Лепестковые клапаны на вытяжных отверстиях устанавливать не рекомендуется по условиям противопожарной безопасности. 7. Вытяжную вентиляцию в центральном барабане допускается проектировать механической периодического действия с установкой (с четырех сторон) оконных вентиляторов малой производительности, работающих во взаимосвязи с гигроскопическими датчиками системы автоматического контроля (учитывающих воздействие ветра и изменение относительной влажности по отношению к установленным значениям). 8. В периоды проведения ритуальных служб, тепло- и влагопоступ-ления многократно возрастают и значительно превышают расчетные, в эти 316 периоды следует прибегать к естественному проветриванию путем открывания имеющихся проемов с учетом времени года. 9. В помещении алтаря в зоне розжига и подвески разожженного ка дила необходимо предусматривать местную вытяжку. 10. В зданиях храмов, проектируемых для строительства в Шг климатическом районе, рекомендуется сквозное или угловое проветривание через оконные проемы. 11. В храмах с балконами в центральной части для проветривания верхней зоны помещения рекомендуется проектировать установку вытяжных фрамуг в противоположных оконных проемах центрального барабана. 4.9. Электроснабжение и автоматизация Электроснабжение и автоматизацию установок систем вентиляции, отопления и теплоснабжения храмов предусматривать согласно п.9 СНиП 2.04.05-91 "Отопление, вентиляция и кондиционирование". Требования, предъявляемые к пожарной безопасности систем вентиляции, отопления и теплоснабжения в храмах, должны соответствовать СНиП 21-01-97 "Пожарная безопасность зданий и сооружений" По величине теплоизбытков наиболее теплонапряженным для храмов является теплый период года. Удаления избытков теплоты из помещений храмов в теплый период осуществляется в основном аэрацией. Расчет площадей аэрационных фрамуг для обеспечения аэрационного воздухообмена производится по метеорологическим данным региона и аэродинамическим характеристикам здания храма. Для сохранности настенной живописи, художественной росписи и предметов декоративно-художественного убранства храма является важным исключение конденсации на внутренних поверхностях конструкций в холодный период года. Поэтому в примере рассчитан воздухообмен в храме для холодного периода года. Экспериментальными исследованиями для данного типа храмов (см. раздел 4.1) были установлены следующие значения градиентов температуры выше зоны нахождения людей для холодного, переходного и теплого периодов в зависимости от численности прихожан: при количестве прихожан п 100 чел. Vt = 0,3 С/м при количестве прихожан 100 п 300 чел. Vt = 0,5 С/м при количестве прихожан п 300 чел. Vt = 0,6 С/м); Тепловыделения от свечей по низшей теплоте сгорания парафина (см. раздел 4.7) равны QHP= 46810 кДж/кг, влаговыделения составляют Gw= 1,3 кг/кг парафина, количество СОг, выделяемого при сгорании 1 кг свечей gC02CB=1650 л/кг; 1. Рассчитаем воздухообмен для естественной системы вентиляции в Троицкой церкви (Нижегородская область) для холодного периода гола. Исходные данные: Основные размеры центральной части храма - длина - 20 м; - ширина-14 м; - высота - 22 м; - высота расположения вытяжных фрамуг -19 м; - объем центральной части храма равен 6160 м ; - максимальная вместимость Троицкой церкви 600 человек; Расчетные параметры: - температура внутреннего воздуха tB=14C ; - относительная влажность внутреннего воздуха фв=30%;; - угловой коэффициент линии процесса для холодного периода єх=11767кДж/кг; - энтальпия удаляемого воздуха 1ух= 34,8 кДж/кг при tyx= 24 С и градиенте температуры по высоте Vt=0,6C/M; 318 - энтальпия приточного - 1пр= -10,3 кДж/кг при подогреве приточного наружного воздуха воздушно-тепловыми завесами у входа и системой отопления от расчетной температуры tH = -30С до температуры tnp= -11С ( определяется линией процесса для холодного периода єх на I-d-диаграмме); - влагосодержание приточного воздуха dnp=0,3 г/кг сух.в.; - влагосодержание удаляемого dyx=4,2 г/кг сух.в.; - количество СОг, выделяемого 1 человеком gC02j, =23 л/ч - количество С02, выделяемого при сгорании 1 кг свечей gCO2CB=1650 л/кг; - количество СОг в удаляемом воздухе С2=2 л/м ; - количество СОг в приточном воздухе С і =0,5 л/м ; - плотность удаляемого воздуха рв= 1,2 кг/м . Порядок расчета За расчетный принимается больший из воздухообменов, рассчитанных на ассимиляцию теплоты, водяного пара или углекислого газа.
