<<
>>

Экспериментальные исследования ограждающих конструкций с вентилируемыми воздушными пространствами, учитывающие специфику ветрового воздействия

При исследовании вентилируемых фасадных систем с вентилируемыми воздушными пространствами возникает вопрос об изучении их влиянии на теплозащитные свойства этих ограждающих конструкций.

Термическое сопротивление воздушных пространств в вентфасадах будет определяться в основном скоростью движения воздушного потока, которая зависит от скорости ветра. Для исследования этой зависимости были проведены натурные теплотехнические обследования зданий с вентилируемыми фасадами.

В ходе работы были обследованы навесные вентилируемые фасады зданий, расположенных в г. Москве транспортных магистралей на пересечении городских магистралей с Садовым и Бульварным кольцом, находящиеся в эксплуатации соответственно 14, 11 и 5 лет [167, 168, 169, 174].

Одно из зданий с вентилируемым фасадом имело высоту 95 метров и было расположено на Ленинском проспекте недалеко от Садового кольца. Конструкция вентфасада представляет собой кронштейны из нержавеющей стали, установленные на несущей части монолитной железобетонной стены. На них с помощью специальных металлических штырей закреплены плиты из натурального гранита с основным размером 0,6 х 1,0 м и толщиной 28 мм. Зазор между плитами гранитной облицовки составляет 0,007 - 0,012 м. В качестве утеплителя применены плиты из минеральной ваты на основе базальтового волокна толщиной 100 мм. Между утеплителем и гранитной плитой облицовки имеется вентилируемое воздушное пространство толщиной 50-70 мм. Ветрозащитная мембрана на поверхности утеплителя не установлена. На момент первого этапа натурных обследований фасад находился в эксплуатации в течение

11 лет и на момент второго этапа натурных обследований - в течение 14 лет (рисунок 2.1а).

Другое обследуемое здание с конструкцией вентилируемого фасада расположено рядом с Бульварным кольцом. Вентфасад представляет систему кронштейнов из нержавеющей стали, на которых с помощью металлических штырей закреплены плиты из натурального гранита.

Размер основных плит составляет 0,6 х 1 м. Толщина гранитных плит 25 мм. Зазор между плитами составляет 0,006 - 0,012 м. Несущая стена утеплена двумя рядами плит из минеральной ваты на основе базальтового волокна толщиной 80 и 50 мм, общей толщиной 130 мм. Ветрозащитная мембрана отсутствует. Фасад находится в эксплуатации в течение 5 лет (рисунок 2.1б).

Рисунок 2.1 - Здания с вентилируемыми фасадам, в которых проводились натурные теплотехнические исследования, находящиеся на : а - Ленинском проспекте; б - на улице Арбат

Для решения поставленных задач были проведены экспериментальные исследования в натурных условиях, базирующиеся на определение скорости движения воздуха в вентилируемом воздушном пространстве и у поверхности вентфасада. В облицовочных плитах вентфасадов были просверлены отверстия диаметром 12-14 мм, в них были вставлены датчики, которые замеряли скорость движения воздуха в вентилируемой воздушном пространстве (рисунок 2.2). Одновременно измерялась скорость ветра у фасада, на расстоянии 0,75 - 1 м от его поверхности. Замеры проводились на вентфасадах, ориентированных по четырем сторонам света на высоте третьего, шестого, девятнадцатого и двадцать второго этажей.

Рисунок 2.2 - Замеры скорости движения воздуха в вентилируемом

воздушном пространстве

Анализ результатов измерений скорости воздуха в воздушном пространстве показал, что по всей площади вентфасада в нем наблюдается постоянное движение воздуха, и происходит постоянная его вентиляция.

При обработке результатов полученных экспериментальных данных по первому этапу исследований были обобщены результаты замеров скорости движения воздуха в вентилируемом воздушном пространстве в наружной ограждающей конструкции в зависимости от скорости ветра около поверхности вентилируемого фасада эксплуатируемого здания.

Поскольку под действием ветрового напора и гравитационных сил некоторое количество наружного воздуха через зазоры между керамическими облицовочными плитами через «входные» и «вытяжные» отверстия проникает в вентилируемое воздушное пространство, то этот процесс оказывает влияние на скорость движения в нем воздуха.

На основе проведенных экспериментальных исследований были определены скорости воздушного потока при направлении ветра перпендикулярно поверхности фасадов зданий. При этом следует отметить, что при проведении в натурных условиях экспериментальных исследований по определению скоростей движения воздуха в вентилируемом воздушном пространстве в конструкции вентфасада были получены реальные значения скоростей в натурных условиях г. Москвы.

В процессе исследований были получены значения скоростей ветрового потока около поверхности фасадов в диапазоне от 1 м/с до 7 м/с. С достаточной степенью точности для практических инженерных расчетов примем, что полученные значения скоростей воздушных потоков соответствуют скорости ветра. В [143, 151] указано, что для расчетов ограждающих конструкций рекомендуется использовать максимальную из средних скоростей ветра по румбам за январь, повторяемость которых составляет 16% и более, принимая их в настоящее время по [151]. В результате анализа представленных в [151] скоростей ветра для территории России установлено, что скорости ветра ниже 8 м/с наблюдаются в 1784 городах РФ и только в 17 городах расчетная скорость ветра выше 8 м/с.

Таким образом, полученные при экспериментальных исследованиях значения скоростей ветра можно использовать при расчетах тепловой защиты гражданских и промышленных зданий. На основании анализа этих скоростей

было получено эмпирическое уравнение для определения скорости движения воздуха в вентилируемом воздушном пространстве, которое косвенно учитывает щелевую воздухопроницаемость через зазоры между плитами облицовки вентфасадов в реальных условиях эксплуатации зданий.

Полученная зависимость между скоростью движения воздуха у поверхности вентфасада и в вентилируемом пространстве вентфасада, полученная автором на основе выполненных измерений, приведена на рисунке 2.3 [169, 174].

В результате аппроксимации полученных результатов замеров было выведено эмпирическое уравнение зависимости скорости воздуха в воздушном пространстве вентфасада от скорости ветра у поверхности фасада [169], имеющее вид:

где- скорость движения воздуха в вентилируемом воздушном

пространстве и ветра около наружной поверхности венфасада, м/с.

Область применения данного уравнения ограничивается численным значением, когда скорость ветра не превышает 7 м/с.

Рисунок 2.3 - Изменение скорости движения воздуха в вентилируемом воздушном пространстве в зависимости от скорости ветра у поверхности фасада по результатам первого этапа измерений

На втором этапе натурных обследований через 3 года после первого этапа в здании на Ленинском проспекте были проведены аналогичные исследования зависимости скорости движения воздуха в воздушном пространстве вентфасада от скорости ветра около его поверхности.

По результатам первого и второго этапа натурных измерений был получен набор точек, представленный на рисунке 2.4. Для получения аппроксимирующей зависимости были использованы методы нелинейной регрессии. На рисунке 2.5. представлена аппроксимация экспериментальных данных по значениям скорости движения воздуха в вентилируемом воздушном пространстве в зависимости от скорости ветра около поверхности вентфасада с помощью полинома первой степени. Полиномиальная модель аппроксимации экспериментальных данных использует полином вида:

где n + 1 - степень полинома, принимаемая в диапазоне от 1 до 9.

Рисунок 2.4 - Значения скорости движения воздуха в вентилируемых

воздушных пространствах в зависимости от скорости ветра около поверхности вентилируемого фасада по результатам первого и второго этапа натурных измерений

Как правило, алгоритмы аппроксимации данных определяют параметры наилучшего подбора аппроксимирующей кривой путем минимизации выбранной функции качества. Для оптимизации оценочной функции необходимо выбрать набор начальных оценок параметров и затем итерационно уточнять оценочные параметры до тех пор, пока оценочная функция существенно не изменится между итерациями.

Алгоритм Левенберга-Марквардта использовался для нелинейных вычислений наименьших квадратов в текущей реализации.

Качество построенной модели регрессии были исследованы методами дисперсионного анализа, в том числе значением R2. Значение R2 = 1,0 указывает на идеальное соответствие, тогда как R2 = 0,0 указывает, что регрессионная модель может быть непригодна для этого набора данных.

Рисунок 2.5 - Аппроксимация экспериментальных данных по первому и

второму этапу измерений полиномом первой степени

Величина R2определяется формулой

Error Sum of Squares, сумма квадратов отклонений наблюдений от предсказанных значений, «остаточная» или «необъяснённая

регрессией»;- Total Sum of Squares, общая сумма квадратов

отклонений наблюдений от общего среднего, «скорректированная».

Таким образом, по величинам R (R-square) и SSE можно судить о точности аппроксимации экспериментальных данных.

Проведем аппроксимацию полученной зависимости полиномом первой степени вида f(x) = p1z + р=. Точность аппроксимации экспериментальных данных полиномом первой степени представлена в таблице 2.1.

Таблица 2.1 - Точность аппроксимации экспериментальных данных по результатам замеров скорости движения воздуха в вентилируемом воздушном пространстве в зависимости от скорости ветра.

Параметр Величина
SSE 0.7162
R-square 0.8953
Adjusted R-square 0.8947
RMSE 0.0617

Параметры аппроксимации с учётом 95% доверительного интервала представлены в таблице 2.2.

Таблица 2.2 - Параметры аппроксимации экспериментальных данных по результатам замеров скорости движения воздуха в вентилируемом воздушном пространстве в зависимости от скорости ветра

Вид аппроксимирующего полинома f(x) = Р1 ■ x +Р2
Р1 0.08237 (0.07832, 0.08642)
Р2 0.1751 (0.1635, 0.1866)

По анализу точек с результатами измерений и полученной кривой на рисунке 2.5 можно отметить, что аппроксимирующий полином первой степени не соответствует экспериментальным данным в области малых скоростей (до 0,3 м/с), а также в диапазоне 1-7 м/с.

Проведём аппроксимацию полученных экспериментальных значений скорости движения воздуха в вентилируемом воздушном пространстве в зависимости от скорости ветра с помощью специального функционала вида f (z) = a∙vb. На рисунке 2.6 представлена аппроксимирующая кривая для полученных экспериментальных данных с помощью специального функционала. Точность аппроксимации экспериментальных данных специальным

Рисунок 2.6 - Аппроксимация экспериментальных значений скорости движения воздуха в вентилируемом воздушном пространстве в зависимости от скорости ветра специальным функционалом

Таблица 2.3 - Точность аппроксимации экспериментальных данных по результатам замеров скорости движения воздуха в вентилируемом воздушном пространстве в зависимости от скорости ветра с помощью специального

функционала

Параметр Величина
SSE 0.06955
R-square 0.9927
Adjusted R-square 0.9926
RMSE 0.01923

Как видно из таблицы 2.3. значения параметра R-squareблизко к единице, что свидетельствует о близком соответствии аппроксимированной кривой. Параметры аппроксимации с учётом 95% доверительного интервала представлены в таблице 2.4.

Таблица 2.4 - Параметры аппроксимации специальным функционалом

экспериментальных данных по результатам замеров скорости движения воздуха

в вентилируемом воздушном пространстве в зависимости от скорости ветра

По анализу точек с результатами измерений и полученной кривой на рисунке 2.5 можно отметить, что аппроксимирующий специальный функционал вида Y(z) = a ∙ vbсоответствует экспериментальным данным в области как малых скоростей, так и в диапазоне до 7 м/с включительно, и имеет вид

С учетом того, что область применения данного уравнения ограничивается численным значением, когда скорость ветра не превышает 7 м/с, все дальнейшие расчеты будут проведены для условий, когда скорость ветра не будет превышать 7 м/с.

При проведении экспериментальных исследований скорость ветра замерялась на расстоянии 0,75-1 м от поверхности фасада на различных этажах зданий (от 3 до 22 этажа). Обычно, скорость ветра по высоте здания возрастает, и на уровне каждого этажа она будет различная. Для определения скорости ветра на уровне различных этажей здания при расчетной скорости ветра воспользуемся работой [134, 174], где эта зависимость имеет следующий вид

или

55

где Вветр. - расчетная скорость ветра,- поправочные

коэффициенты к скорости ветра на уровне высоты этажа и к скорости ветра по данным метеорологических станций, измеряемые на высоте 10 или 15 м, приведенные в таблице 2.5.

Полученное соотношение (2.2) подставляем в формулу (2.1) и получим уравнение определение скорости движения воздушного потока в вентилируемом воздушном пространстве на разных высотах здания в зависимости от расчетной скорости ветра (2.3) с учетом данных таблицы 2.5.

Таблица 2.5 - Поправочные коэффициенты к скорости ветра в зависимости от

высоты [134, 174]

Высота от уровня поверхно сти земли, м 1 3 5 10 15 20 30 40 50 60 70 80 100
'п.ЗТ>

'метеор

0,36 0,47 0,53 0,61 0,66 0,69 0,74 0,77 0,8 0,83 0,86 0,88 0,91

Расчеты по формуле (2.3) показали, что в вентилируемом воздушном пространстве вентфасада скорость движения воздуха увеличивается с

увеличением ветрового потока и уменьшается при понижении ветрового потока. Также с повышением этажности она возрастает и с понижением этажности уменьшается (рисунок 2.7)

Рисунок 2.7 - Характер изменения скорости движения воздуха в вентилируемом воздушном пространстве вентфасада на различной высоте

здания в зависимости от скорости ветра

<< | >>
Источник: УМНЯКОВА НИНА ПАВЛОВНА. РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ РАСЧЕТА И ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ С УЧЕТОМ СПЕЦИФИКИ ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ И ОТРАЖАТЕЛЬНЫХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. Москва - 2019. 2019

Еще по теме Экспериментальные исследования ограждающих конструкций с вентилируемыми воздушными пространствами, учитывающие специфику ветрового воздействия:

  1. 2.2 Особенности процессов теплообмена в конструкциях с вентилируемыми воздушными пространствами при учете скорости ветрового воздействия
  2. Анализ методов расчета и экспериментальных исследований конструкций наружных стен с замкнутыми и вентилируемыми воздушными пространствами
  3. Предложения по проектированию новых типов энергосберегающих ограждающих конструкций с учетом специфики внешних воздействий и отражательных свойств материалов
  4. Моделирование процессов конвективного теплообмена в конструкциях вентилируемых фасадных систем с учетом скорости ветрового воздействия и режимов движения воздуха
  5. 7.1 Конструкций вентилируемых фасадов с воздушными пространствами
  6. Перемещение твердых частиц аэрозолей в воздушных пространствах конструкций вентилируемых фасадов
  7. УМНЯКОВА НИНА ПАВЛОВНА. РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ РАСЧЕТА И ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ С УЧЕТОМ СПЕЦИФИКИ ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ И ОТРАЖАТЕЛЬНЫХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. Москва - 2019, 2019
  8. Глава 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ МАТЕРИАЛОВ С ВЫСОКИМИ ОТРАЖАТЕЛЬНЫМИ СВОЙСТВАМИ
  9. Моделирование теплопотерь в конструкции вентфасада с учетом скорости ветра и термического сопротивления вентилируемого воздушного пространства с отражательной теплоизоляцией
  10. Математическое моделирование конструкций вентилируемого фасада с воздушным пространством методом конечных элементов
  11. ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ДВИЖЕНИЯ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ АЭРОЗОЛЕЙ В ВЕНТИЛИРУЕМОМ ВОЗДУШНОМ ПРОСТРАНСТВЕ КОНСТРУКЦИИ ВЕНТФАСАДА
  12. ГЛАВА 2. РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ РАСЧЕТА ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ С ВОЗДУШНЫМ ПРОСТРАНСТВОМ С УЧЕТОМ ВЛИЯНИЕ СКОРОСТИ ВЕТРА