Способ вентиляции воздушных прослоек в ограждениях зданий

012719 Изобретение относится к области вентиляции и кондиционирования воздуха, а именно к способам вентиляции воздушных прослоек в ограждениях зданий, обеспечивающих экономию тепловых ресурсов при отоплении путем использования наружных источников тепла, например солнечного излучения. Последнее связано с широким применением в настоящее время наружной облицовки общественных и офисных зданий наружным светопрозрачным ограждением, характерным примером чего может служить главное здание построенной в 2004-2006 г. Государственной библиотеки Беларуси в г. Минске. Известен способ строительства [1], в соответствии с которым устанавливают решетчатую конструкцию, по которой от одной стойки к другим стойкам, образующим решетчатую конструкцию, натягивают проволочные сетки. После этого укладывают слои стиропора и склеивают их, образуя статически стабильное здание. Размеры воздушных полостей определяются толщиной стоек и расстоянием между ними (40-60 см). Недостатком этого способа при определенных условиях является отсутствие теплообмена посредством воздухообмена между отдельными воздушными полостями. Известна теплоизоляция стен здания [2] в виде набора воздушных слоев, образованных натянутыми пленками, выполненными в виде полос, установленных подобно черепице, зазор между которыми обеспечен распорными элементами. Зазор между полотнами обеспечен вертикальными вставками в виде реек толщиной 7-15 мм, а распорные элементы выполнены из капронового шнура диаметром 3-7 мм. Недостатком этого изобретения при определенных условиях является отсутствие теплообмена посредством воздухообмена между отдельными воздушными полостями. Наиболее близкой к заявляемому способу является вентилируемая воздушная прослойка [3, с. 179185], температурно-влажностные параметры воздуха в которой в зависимости от вентиляции за счет гравитационных сил и ветра аналитически описаны с использованием известных физических законов. Движение воздуха внутри воздушных прослоек и между ними при наличии сообщающихся каналов при естественной вентиляции происходит за счет гравитационного давления Р, возникающего за счет разности плотностей воздуха, которые зависят от температуры [3, с. 184, формула (III. 120)] где Р - гравитационное (так называемый естественный напор) давление, Па; 1 и 2 - плотности воздуха при температурах t1 и t2, кг/м 3;h - разность высот столбов воздуха с разной температурой или разность высот отверстий входа воздуха в прослойку и выхода из нее, м. Как видно из приведенной формулы, величина гравитационного давления прямо пропорциональна разности температур воздуха, которые являются основным фактором гравитационного (естественного) давления воздуха. Поэтому данный способ принят за прототип, преимуществом которого является возможность использования расчета гравитационного режима вентиляции воздушных прослоек. Недостатком прототипа является отсутствие рассмотрения и анализа возможности организации и применения воздухообмена между отдельными воздушными прослойками с целью перекачки тепловой энергии с избыточных зон в дефицитные. Задачами предлагаемого изобретения являются экономия тепловых ресурсов и уменьшение неравномерности тепловых режимов с разных сторон здания в зависимости от интенсивности солнечного облучения и параметров ветра, а также устранение влияния неравномерности температур различных участков наружной оболочки на прочностную надежность конструкций и целостность оболочки здания. Поставленная задача решается достижением технического результата посредством предлагаемого способа вентиляции воздушных прослоек в ограждениях здания, заключающегося в том, что движение воздуха в прослойке осуществляется за счет гравитационных и аэродинамических сил, отличия которого в том, что в одной или в разных воздушных прослойках ограждений здания определяют не менее двух зон с отличающейся средней температурой воздуха и дополнительно организуют естественный, принудительный или комбинированный воздухообмен между указанными зонами с разными значениями температуры воздуха или любой из указанных зон с окружающей атмосферой. При организации воздухообмена с прослойками толщиной менее 0,05 м обеспечивают ламинарный режим движения воздуха в прослойках. Различные участки воздушных прослоек разделяют дополнительными перегородками для обеспечения возрастания величины и упорядочения действия естественной тяги. Для организации естественного воздухообмена с использованием гравитационных сил в верхней и нижней частях перегородок между смежными зонами воздушных прослоек устраивают отверстия, достаточные для обеспечения необходимого воздухообмена. При этом отверстия в перегородках могут быть оборудованы подвижными заслонками, жалюзи или иными регулировочными устройствами для регулирования воздухообмена. Для организации комбинированного или принудительного воздухообмена между смежными зонами воздушных прослоек используют вентиляторы с прокачкой воздуха из зон прослоек с более высокой температурой воздуха в зоны с более низкой температурой или наоборот.-1 012719 При организации принудительного воздухообмена для интенсификации проникновения воздуха в зоны прослойки используют настильные струи на горизонтальные или близкие к ним твердые поверхности. Сущность предлагаемого способа вентиляции воздушных прослоек в ограждениях зданий заключается в том, что подвижность воздуха в прослойке, которая возможна обычно за счет гравитационных сил,возникающих под действием разности температур и, следовательно, плотностей воздуха в прослойке и на том же уровне за ее пределами в столбе воздуха высотой, равной вертикальному расстоянию между уровнями сообщающихся сосудов, используется для воздухообмена между различными зонами - частями воздушных прослоек ограждений здания или с окружающей атмосферой с разными температурами воздуха. При этом для сглаживания неравномерности тепловых режимов в различных частях воздушных прослоек (на солнце и в тени) можно использовать как естественную тягу, так и принудительную вентиляцию с применением вентиляционных установок, а также комбинированный воздухообмен с одновременным использованием естественной и механической тяги. Такой обмен воздушными массами с различной температурой позволяет использовать значительную часть солнечного тепла, ассимилированного воздухом прослойки на солнечной стороне здания для повышения температуры воздуха в прослойке на теневой стороне. Для вентиляции воздушных прослоек в ограждениях зданий бывает предпочтительна организация воздухообмена, основанного на разности температуры внутри прослоек в ограждениях здания и окружающей атмосферы. В качестве примера различия температур в воздушных прослойках на солнечной и теневой сторонах здания можно указать на результаты натурных измерений в ограждающих конструкциях здания Национальной библиотеки Республики Беларусь в октябре 2005 г. На юго-западной стороне на расстоянии примерно 10 м по вертикали от начала вертикальной поверхности стекла и на расстоянии 10 м от ребра между южной и юго-западной вертикальными гранями хранилища 11-12 октября 2005 г. при температуре наружного воздуха 15-16 С температура воздуха в середине воздушной прослойки достигала 22 С, а температуры ограждающих поверхностей воздушной прослойки достигали 30-37 С (чертеж). Такое уменьшение температуры воздуха в середине воздушной прослойки по сравнению с ограждающими поверхностями явилось следствием интенсивной вентиляции воздушной прослойки со средней скоростью около 0,5 м/с за счет естественной тяги, образовавшейся вследствие разности температур наружного воздуха (Tn) и внутри воздушной прослойки (Tvp.1) при свободном доступе за счет неполного остекленения наружной поверхности здания и свободном доступе за счет неполного остекленения наружной поверхности здания в смежных частях. Однако даже при такой достаточно интенсивной вентиляции разница в температурах в воздушных прослойках на уровне 10 м по вертикали от начала вертикальной поверхности стекла на солнечной стороне и в тени составила 22-166 С, а температура алюминиевой стенки составила 30 С. С учетом градиента роста температуры в воздушной прослойке около 0,6 С/м возможная температура воздуха у верхней границы воздушной прослойки составит около 30 С, а температура алюминиевой стенки может превысить 35 С, что потребует кондиционирования воздуха в коридоре, окружающем книгохранилище. В это самое время температура внутренней поверхности всей многослойной наружной стены с теневой стороны опустилась до 15 С, что является нижним допустимым пределом для предотвращения конденсации влаги. В случае прекращения интенсивной вентиляции воздушной прослойки разница температур алюминиевой перегородки на солнечной и теневой сторонах T2C-T2T может достигать 45-1530 С, что при протяженности периметра около 150 м способно дать деформацию около (30/2)0,23810-41500,054 м 5,4 см. Хотя такая деформация значительно меньше разрушающей, но может сказаться на состоянии технологических отверстий и других элементов конструкции. Поэтому дополнительная организация воздухообмена между различными частями воздушных прослоек или с окружающей атмосферой с разными температурами воздуха позволяет при определенных условиях не только уменьшить затраты на отопление и кондиционирование воздуха, но и снизить неравномерность температурных деформаций различных частей здания. Для организации воздухообмена между различными частями воздушных прослоек и использования эффекта естественной тяги, что позволяет обойтись без специальных вентиляторов и экономить энергоресурсы, в определенных (расчетных) местах воздушных прослоек необходимо устраивать преимущественно вертикальные воздухонепроницаемые перегородки, разделяющие зоны с отличающейся средней температурой воздуха. При этом вследствие организации процессов тепломассообмена происходит возрастание величины и упорядочение действия естественной тяги [4, 5]. Для повышения интенсивности воздухообмена между различными частями воздушных прослоек большое значение имеет режим движения воздуха как в самих прослойках, так и между ними, в том числе и между зонами с разной температурой воздуха. Как известно, при ламинарном режиме движения воздуха его расход (дебит) прямо пропорционален величине перепада давлений, который при естественном конвективном движении также прямо пропорционален перепаду температур. При турбулентном ре-2 012719 жиме движения воздуха в прослойке расход воздуха в поперечном сечении пропорционален лишь корню квадратному из перепада давлений. Для создания ламинарного режима движения в полости нужно не только обеспечивать общую величину критерия Рейнольдса Re2300, но и обеспечить ламинарный режим возможной свободной конвекции в прослойке, для чего можно использовать рекомендации, приведенные в [6]. При ламинарной свободной конвекции в прослойке, заполненной воздухом (критерий Прандтля Pr=0,71), при Н/В=1,25-20,0 (Н - высота прослойки, В - толщина прослойки) и критерии РелеяRaB=1,94103-2,3105 максимальная температура в центре изменяется по линейному закону. Ламинарный режим в прослойке с линейным распределением температуры между нагретыми стенками имеет место при RaB5103. С учетом Ra=GrPr (Gr - критерий Грасгофа) можно рассчитать условия соблюдения ламинарного режима. Как показывают расчеты, ламинарный режим достаточно быстрого движения воздуха (v0,35 м/с),обеспечивающий существенный теплообмен с нагретыми поверхностями стенок [3], наступает при В 0,05 м. При В 0,5 м и Re2300 теплообмен уменьшается, а вероятность турбулизации потока увеличивается. Учитывая прямую пропорциональность величины естественной тяги от перепада уровней расположения нижнего края и верхнего края отдельных отверстий, через которые сообщаются различные зоны воздушных прослоек с разными средними температурами воздуха, такие отверстия устраивают таким образом, чтобы перепад уровней действия естественной тяги был наибольшим, что позволяет обеспечить максимально возможный в данных условиях воздухообмен. Для регулирования величины воздухообмена специальные отверстия необходимо оборудовать подвижными воздушными заслонками, жалюзийными или иными устройствами, так как параметры воздуха в различных прослойках могут сильно изменяться (чертеж). На чертеже изображена зависимость температуры поверхностей ограждения на юго-западной стороне книгохранилища от времени суток за период 11-12 октября 2005 г. Переменные на чертеже означают следующее: Tn - температура наружного воздуха, С; Т 1 - температура внутренней поверхности стекла, С; Т 2 - температура наружной поверхности листа алюминия, С;Tvp.1 - температура воздуха между стеклом и алюминиевой стенкой на высоте 10 м от входа воздуха, С. Зачастую для обеспечения необходимого объема воздухообмена между различными прослойками только естественной тяги бывает недостаточно и тогда специальные отверстия следует оборудовать низконапорными (обычно не более 100 Па) вентиляторами. Однако необходимая производительность таких вентиляторов может оказаться достаточно большой. Так, для обеспечения средней скорости движения воздуха 0,5 м/с в условиях описанной ранее воздушной прослойки вокруг книгохранилища Национальной библиотеки Республики Беларусь расход воздуха через эту прослойку должен составлятьQ=1,2200,5=12 м 3/с=43200 м/ч. При организации воздухообмена через две боковые перегородки прослойки производительность каждого вентилятора должна составлять около 22000 м 3/ч, что, например,характерно для вентилятора типа ВРКА-ВДУ-3 с двигателем 112 МВ 8, потребляющим мощность 3 кВт. Установочные размеры вентилятора, смонтированного в квадратной монтажной обечайке 970970 мм,позволяют размещать его в перегородке шириной 1200 мм. При наличии весьма протяженных (10 м и более) воздушных прослоек для организации активного принудительного или комбинированного воздухообмена в пределах отдельных участков прослоек необходимо предельное увеличение дальнобойности создаваемых вентиляторами воздушных струй. В этом случае представляется целесообразным использовать поверхностный эффект (эффект Коанды) своеобразного прилипания настилаемой на твердую поверхность струи, в результате чего дальнобойность увеличивается примерно в 1,4 раза. В доказательство возможной технико-экономической эффективности предложенного изобретения необходимо организовать с использованием вышеуказанных средств в любом их сочетании воздухообмен посредством перекачки воздуха с 12 до 18 ч 11.10.2005 г. из зоны с более нагретым воздухом в прослойке на солнечной стороне Национальной библиотеки Республики Беларусь в зону более холодного воздуха в прослойке на теневой стороне около 2,5106 кДж тепла. Исходными средними данными для расчета указанного количества тепла при такой перекачке воздуха являются следующие (чертеж): перепад температур воздуха в соответствующих зонах воздушных прослоек t=26-1610 С; скорость движения воздуха в прослойке v0,4 м/с; площадь поперечного сечения прослойки S=201,2=24 м 2; плотность воздуха =1,2 кг/м 3; удельная теплоемкость воздуха ср=1 кДж/(кгград). Тогда количество тепла q, переносимого воздухом за время =6 ч (с 12 до 18 ч) или 21600 с составит q=срtvS=1,21100,421600242,5106 кДж 6105 ккал, что является достаточно крупной величиной. Возможная максимальная часовая перекачка количества тепла qM с нагретым воздухом приt=12 С и v=0,5 м/с может составить qM=1,2112360024=6,2105 кДж/ч 1,7105 Вт 170 кВт/ч. При этом не следует забывать, что исходные данные являются экспериментальными и получены в г. Минске 11 октября 2005 г.-3 012719 Источники информации. 1. Kettner Franz. Способ строительства. (21) 1.96.33.127.7, (22) 16.08.96, (30) DE 196.33.127 16.08.96. 2. Яковлев Р.Н. Теплоизоляция стен зданий. RU 99122768/03, 1999.10.27, Е 04 В 1/76. 3. Богословский В.Н. Строительная теплофизика. - М.: Высшая школа, 1982, 416 с. 4. Остроумов Г.А. Свободная конвекция в условиях внутренней задачи. - М.-Л.: ГИТТЛ, 1952. 5. Джалурия Й. Естественная конвекция. - М.: Мир, 1983. 6. Мартыненко О.Г., Соковишин Ю.А. Свободно-конвективный теплообмен (справочник). - Мн.: Наука и техника, 1982. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ вентиляции воздушных прослоек в ограждениях зданий, заключающийся в том, что движение воздуха в прослойке осуществляется за счет гравитационных и аэродинамических сил, отличающийся тем, что в одной или в разных воздушных прослойках ограждений здания определяют не менее двух зон с отличающейся средней температурой воздуха и дополнительно организуют естественный,принудительный или комбинированный воздухообмен между указанными зонами с разными значениями температуры воздуха или между любой из упомянутых зон с окружающей атмосферой. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что разные части воздушных прослоек разделяют дополнительными перегородками для обеспечения возрастания величины и упорядочения действия естественной тяги. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при организации воздухообмена с прослойками толщиной менее 0,05 м обеспечивают ламинарный режим движения воздуха в прослойках. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что для организации естественного воздухообмена с использованием гравитационных сил в верхней и нижней частях перегородок между смежными зонами воздушных прослоек устраивают отверстия, достаточные для обеспечения необходимого воздухообмена. 5. Способ по п.4, отличающийся тем, что для регулирования воздухообмена отверстия в перегородках оборудуют подвижными заслонками, жалюзи или иными регулировочными устройствами для регулирования воздухообмена. 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что для организации комбинированного или принудительного воздухообмена между смежными зонами воздушных прослоек используют вентиляторы с прокачкой воздуха из зон прослоек с более высокой температурой воздуха в зоны с более низкой температурой или наоборот. 7. Способ по п.4, отличающийся тем, что при организации принудительного воздухообмена для интенсификации проникновения воздуха в зоны прослойки используют настильные струи на твердые поверхности.