Исследование воздушного режима навесных вентилируемых

U-KON
ВЕНТФАСАДЫ
ЖУРНАЛ «ЛУЧШИЕ ФАСАДЫ И КРОВЛИ»
Исследование воздушного режима
навесных вентилируемых фасадов
на экспериментальном стенде U-kon
В настоящее время происходит поиск новых возможностей для повышения энергоэффективности зданий.
Широко стали применяться ограждающие конструкции с использованием эффективных утеплителей, в
том числе навесные вентилируемые фасады (НВФ) с воздушным вентилируемым зазором. Воздушная
вентилируемая прослойка оказывает влияние на все теплофизические характеристики фасада, и ее правильная организация является важной практической задачей. Если на приведенное сопротивление теплопередаче влияние вентилируемой прослойки невелико, то для влажностного режима и снятия солнечного
перегрева оно определяющее. Часто при проектировании и строительстве таких конструкций произвольно принимаются параметры воздушного зазора и рустов между облицовочными панелями. В результате
появляются невентилируемые прослойки, перекрытие зазора горизонтальными направляющими, установка облицовки на относе без зазора вообще. Недостаточный воздухообмен при этом приводит к обледенению элементов подконструкции, выходящих в воздушный вентилируемый зазор, облицовочного слоя
в зимний период, снижению теплозащитных свойств конструкции в целом
К
Рис. 1. Воздухообмен при облицовке плитами
керамогранита
онструкция НВФ состоит из
металлической подконструкции
и облицовочного слоя, которые
устанавливаются на относе от
стены. Между конструктивным и облицовочным слоями или утеплителем, если
он предусмотрен теплотехническим расчетом, образуется вентилируемый воздушный зазор. Основной особенностью
воздушного зазора является отсутствие
сплошного экрана. Облицовочный состоит
из штучных элементов, изготавливаемых
из большого спектра материалов, и имеет
немаловажное значение в процессе формирования воздушных потоков в зазоре.
Воздухообмен в зазоре осуществляется через входное отверстие у цоколя
и выходное на парапете зданий, а также
через русты между облицовочными панелями. При облицовке из плит керамогранита между плитами воздухообмен
осуществляется только через горизонтальные русты. При облицовке из компо-
Рис. 2. Воздухообмен при облицовке элементами кассетного типа
из композитных материалов
10
№1 (21) 2009
ЖУРНАЛ «ЛУЧШИЕ ФАСАДЫ И КРОВЛИ»
зитных материалов – только через вертикальные. При этом поток воздуха должен
преодолеть ряд местных сопротивлений,
огибая отбортовки кассеты. Рис. 1, 2.
При применении гидроветрозащитной мембраны в конструкциях НВФ, с
точки зрения пожарной безопасности, с
целью ограничения поражения мембраны
во время возможного возгорания требуется предусматривать дополнительные
конструктивные мероприятия – установку горизонтальных рассечек, полностью
перекрывающих воздушный зазор. В
этом случае воздухообмен в воздушном
вентилируемом зазоре будет осуществляться только через русты между облицовочными панелями.
Для изучения параметров воздухообмена в воздушном вентилируемом зазоре при установке горизонтальных рассечек на экспериментальном стенде Ukon искусственно был выделен участок
с установкой рассечек из минеральной
ваты «Rockwool Венти Баттс» площадью
14,97 м2. По высоте участка в кассетах выполнены отверстия для проведения замеров скорости воздушного потока. Рис. 3. Размер кассет и конструкция
стены приведены на рис. 4.
Систематические теплотехнические
измерения на натурном стенде
U-kon показывают, что подвижность
воздуха различна по периодам года, в
зимний период года подвижность воздуха
в зазоре достигает 0,8 м/с, в летний период колеблется от 0 до 0,3 м/с. Основополагающими факторами влияния следует
считать ветровой напор и интенсивность
солнечной радиации.
Более интенсивное проявление подвижности воздуха в вентилируемом зазоре в зимний период обусловлено ориентацией участка экспериментального стенда
U-kon (южная) и приходом солнечной
радиации.
Общий приход солнечной радиации к
вертикальным поверхностям складывается из прямой, рассеянной и отраженной
от земли радиации. В среднем за год в
условиях Н. Новгорода наибольшее количество солнечной радиации поступает на
южные, юго-восточные и юго-западные
стены. В летний период (май – август)
при большой высоте солнца к южным
стенам поступление солнечной радиации
уменьшается на 40–50%, а июне и июле
даже на 100% по сравнению с горизонтальной поверхностью и на 10–20%
по сравнению со стенами юго-восточной
и юго-западной ориентации. В зимний
период (ноябрь – февраль) южные стены
получают теплоты в 3–6 раз больше,
чем горизонтальные поверхности. Стены
поглощают не всю поступающую радиацию, часть ее отражается. Количество
отраженной радиации зависит от цвета
и шероховатости стены. Облицовочный
слой экспериментального участка из
композитного материала Alucobond А2
темно-синего цвета, по данным производителя, поглощает 80% от общего прихода солнечной радиации.
№1 (21) 2009
ВЕНТФАСАДЫ
Рис. 3. Выделенный участок на экспериментальном стенде U-kon с установкой рассечек
воздушного потока
Рис. 4. Конструкция стены, размеры кассет на выделенном участке экспериментального
стенда U-kon
Разность температур наружного воздуха и воздуха в воздушной прослойке
достигает наибольших значений в зимний период года и доходит до 2,0–3,0оС
по пасмурному затянутому облаками
небу и 4,0–7,0оС в ясный день. При
нагреве облицовочного слоя вследствие
действия солнечной радиации возникает направленное движение воздушного
потока в зазоре. Рис. 5.
Скорости воздушных потоков в зазоре очень незначительны при скоростях
ветра до 3–4 м/с. Влияние ветрового
напора обусловлено ориентацией вертикальных поверхностей по сторонам
света, т.е. наветренной и заветренной стороной. При возрастании скорости ветра
напорные разности давлений на фасаде
повышаются в незначительной степени,
при этом возрастают колебания скорости,
и это приводит к пульсирующему обмену
воздухом через швы. Рис. 6.
Исходя из экспериментальных данных,
в летний период в основном преобладают незначительные скорости воздушного
потока в вентилируемом зазоре 0–0,3 м/с.
Рис. 7. Это связано с высотой стояния
солнца над горизонтом, следовательно,
приходом солнечной радиации, а также
небольшими скоростями ветра до 5 м/с (по
данным метеостанции «Мыза», г. Н. Новго-
род) и преобладающим северным направлением, когда экспериментальный участок
находится с заветренной стороны.
Движение воздуха в вентилируемом
зазоре НВФ обусловлено свободной
(естественной) конвекцией. Одной из
возможных систем уравнений, описывающих такое течение для частного случая
при установке рассечек воздушного потока по высоте фасада, полностью перекрывающих воздушный зазор, является
система уравнений Буссинеска.
(1)
Где: v –скорость, м/с;
g – ускорение силы тяжести;
ß = 1/(T0 + T') – коэффициент объемного расширения;
α – коэффициент температуропроводности;
k – единичный орт по оси z;
ν – кинематический коэффициент вязкости.
Рассматривается двухмерная постановка, т.е. когда эти параметры зависят от
11
ВЕНТФАСАДЫ
ЖУРНАЛ «ЛУЧШИЕ ФАСАДЫ И КРОВЛИ»
двух координат (z, x). Для бесконечного
вертикального слоя без массообмена данная система уравнений имеет аналитическое решение. Где q – тепловой поток в
одну из стенок воздушного зазора. Эпюра
скоростей воздуха приведена на рис 8.
Нами были получены выражения для
средней и максимальной скоростей потока в одном направлении.
(2)
Рис. 5. Экспериментальные данные
и показания метеостанции «Мыза»,
г. Н. Новгород, от 2.02.2007 г.
Рис. 6. Экспериментальные данные
и показания метеостанции «Мыза»,
г. Н. Новгород, от 28.02.2007 г.
В таблице приведены рассчитанные
параметры для трех характерных температур -20 оС ; 0оС; +20оС при разности
температур стенок зазора в 1 оС. Подчеркнем, что в таблице приведены значения для перепада температур в 1 К. Для
вычисления скоростей (максимальной и
средней) и числа Грассгофа для другого
перепада температур достаточно умножить приведенные в таблице значения на
соответствующий перепад. Например, при
перепаде температур в 3 К максимальная
скорость равняется . В связи с принятыми допущениями при получении данного
решения можно считать, что именно такое
течение может иметь место в областях,
удаленных от вертикальных рустов.
Аналитически была исследована устойчивость полученного решения, а значит,
и самого течения воздуха. Это исследование выполнялось с помощью теории возмущений, т.е. основные параметры представлялись в виде полученного решения
и малой добавки к нему.
(3)
Подставляя это выражение в систему
уравнений Буссинеска, получим систему
уравнений, описывающую возмущения.
(4)
Рис. 7. Экспериментальные данные
и показания метеостанции «Мыза»,
г. Н. Новгород, от 6.08.2007 г.
Для упрощения решения системы уравнений (4) представляем возмущения как
волновое движение. В итоге получаем
систему характеристических уравнений
12
№1 (21) 2009
ВЕНТФАСАДЫ
ЖУРНАЛ «ЛУЧШИЕ ФАСАДЫ И КРОВЛИ»
(5), решение которой представляем в графическом виде, рис. 9. Эта кривая, близкая к асимметричной параболе, опрокинутой вниз и лежащей на плоскости
между асимптотами с координатами k = 0
и k = 2,55. Критическая точка экстремального минимума приходится на критерий
Грасcгофа Gr = 412,64 и k=2π/λ = 1,59.
Длина волны критического возмущения
близка к удвоенной ширине зазора.
➜ Таблица 1.
β, K-1
λ
Рис. 8. Расчетная область
№1 (21) 2009
T = 293 K
3,7 x 10-3
3,4 x 10-3
-2
-2
2,6 x 10-2
2,4 x 10
0,38
0,40
0,43
12,8 x 10-6
13,3 x 10-6
15,1 x 10-6
vmax, м/с
0,087
0,079
0,064
v, м/с
0,057
0,051
0,042
Pr = ν/a, число Прандтля
0,79
0,71
ν, м2/с
R = Pr x Gr, число Рэлея
Для конкретных течений в зазоре возмущающими факторами являются порыв
ветра в вертикальные русты, значительная неравномерность нагрева облицовочного слоя и т.п. – все это область явного неустойчивого течения, находящаяся
внутри кривой.
Не стоит полагать, что необходимость
мероприятий по устройству воздушного вентилируемого зазора, исследованию
воздухообмена и расчету тепловлажностного режима в нем явно преувеличена, а
последствия произвольного выбора параметров воздушного зазора незначительны. Стремление сэкономить на элементах
подконструкции может привести к грубым
конструктивным нарушениям. Следует
отметить, что разница между наличием
T = 273 K
4,0 x 10-3
2,3 x 10
q
, число Грассгофа
(5)
T = 253 K
51,7 x 10
3
40,8 x 103
воздушного вентилируемого зазора и его
отсутствием заключается не только в длине
кронштейнов, но и в целом ряде качественных изменений, затрагивающих практически все элементы конструкции, попадающие
в зазор. Устройство НВФ повышает требования к пожарной безопасности конструкции, коррозионной стойкости материалов,
плотности и крепежу минераловатных плит
и т.д. Причем от того, соответствует воздушный вентилируемый зазор возложенным на
него требованиям или нет, цена описанных
выше мероприятий не меняется.
Поэтому при расчете тепловлажностного режима навесных вентилируемых
фасадов необходимо учитывать особенности, которые создаются наличием воздушного зазора. При грамотном проектировании НВФ единственным местом
возможной конденсации является облицовочный слой и элементы подконструкции. Но чтобы явления обледенения и
конденсации были ограниченными и не
приводили к перераспределению влаги
(иней, сосульки на облицовке, увлажнение утеплителя и т.п.), они должны контролироваться расчетом.
0,70
3
45,5 x 10
24,3 x 103
31,6 x 103
17,0 x 103
Натурный эксперимент на стенде Ukon подтверждает с известной степенью
достоверности правильность выбора
модельных представлений о воздухообмене. Это позволяет компании «Юкон
Инжиниринг» предоставлять заказчику уникальное комплексное инженерное решение конструкций НВФ U-kon c
грамотно выполненными расчетами по
действующей нормативно-технической
литературе.
Машенков А. Н.,
к.т.н., доцент кафедры
«Отопление и вентиляция»,
Нижегородский государственный
архитектурно-строительный
университет
Чебурканова Е. В.,
инженер ООО «Юкон Инжиниринг»
«ЮКОН ИНЖИНИРИНГ»
☎ Тел. (495) 777-5418
☎ Тел. (495) 363-2104
! [email protected]
! www.u-kon.ru
Рис. 9. Решение систем уравнений (4, 5) в графическом виде
13