Пропускная способность систем навесных вентилируемых фасадов

1.

ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»
Инженерно-строительный институт
Кафедра «Строительство уникальных зданий и сооружений»
Пропускная способность систем
навесных вентилируемых фасадов
Научный руководитель:
Д.т.н., проф. Петриченко
Михаил Романович
Зав. кафедрой:
Д.т.н., проф. Ватин Николай
Иванович
Научный консультант:
К.т.н., доцент Харьков
Никита Сергеевич
Автор:
Немова Дарья Викторовна

2.

Актуальность
Актуальность
Системы навесных вентилируемых фасадов (НВФ) в настоящее
время находят широкое применение в строительной отрасли.
Они применяются для нового строительства и реконструкции
жилых, общественных и промышленных зданий и сооружений.
Востребованность данных систем объясняется их
многофункциональностью: системы навесных вентилируемых
фасадов не только придают зданию выразительный архитектурный
облик, но и выполняют теплозащитные функции, способствуют
нормализации тепловлажностного режима здания, что достигается
благодаря конструкции данных систем.
Правильное применение данных систем может способствовать
реализации государственных программ по энергосбережению
местного, регионального и федерального уровня и Федеральных
законов (ФЗ № 261 «Об энергосбережении…)
2

3.

Актуальность
Система навесных вентилируемых фасадов включает в себя слой
теплоизоляции, воздушную прослойку и облицовочный материал,
который крепится к ограждающей стене с помощью специальных
элементов подконструкции: кронштейнов и направляющих.
Размеры конструкции систем навесных вентилируемых фасадов в
настоящее
время
определяются
путем
проведения
теплотехнических, влажностных расчетов и эмпирическим путем.
Применение таких методов не обеспечивает в полной мере
оптимальной пропускной способности воздушной прослойки
навесных вентилируемых фасадов в условия термогравитационной
конвекции.
3

4.

Цели и задачи исследования
Цель исследования: определение пропускной способности воздушной
прослойки навесных вентилируемых фасадов в условиях термогравитационной
конвекции для обеспечения оптимальной работы данных систем
Задачи исследования
Развить гидравлические методы расчета конструкций НВФ для определения
характеристик потока в условиях термогравитационной конвекции (средней
скорости, интенсивности теплопередачи, потерь напора, средней по расходу
температуры) и оценить интенсивность переноса пассивной примеси (теплового
потока и температуры) при термогравитационной конвекции, построить
пьезометрическую линию для воздушного потока в условиях термогравитационной
конвекции в воздушной прослойке.
Произвести численное моделирование плоского потока в условиях
термогравитационной конвекции.
Определить направления по практическому применению результатов для
принятия оптимальных проектных решений и усовершенствованию существующих
конструкций НВФ.
4

5.

Гидравлические методы расчета конструкций
НВФ
Условия оптимальной работы конструкций:
1. Скорость порядка 1 м/с (следствие теории пограничного слоя);
2. Коэффициент теплопередачи не ниже 10 Вт (следствие теории
м К
Эккерта) ;
3. Температура воздушного потока выше точки росы (условия отсутствия
конденсации влаги).
2
Аналитические методы сводятся к описанию низкорейнольдсовых течений с
помощью системы уравнений движения, энергии и неразрывности:
u z
u z
2u z
uz
uy
g ,
2
z
y
y
2
uz
uy
,
2
z
y y
u z u y
0,
z
y
5

6.

Полученные расчетные зависимости
1. Для средней скорости:
v 1
Tc
2 gL
Th
N
1
L
1
h
-коэффициент
скорости
- коэффициент гидравлического
трения,
- коэффициент местных потерь
давления,
L – коэффициент теплоотдачи,
h
4 3 2
Где:
4 2 z
4
g
Где:
:
2. Для интенсивности теплопередачи:
- толщина «пограничного
слоя подъемной силы»
- коэффициент гидравлического
трения,
z – расстояние по вертикали от
нижней грани вентилируемой
прослойки;
h – коэффициент теплоотдачи,
- коэффициент теплопроводности
воздуха, - число Прандтля. Для
воздуха =0,707.
6

7.

Полученные расчетные зависимости
3. Для потерь напора:
hr
Th Tc
4 3
Tm 4
(1 e
) Tc
3
2
V
2g
Где:
:
4. Для средней по расходу температуры:
Где:
1
L
1
h
-коэффициент
скорости
- коэффициент гидравлического
трения,
- коэффициент местных потерь
давления,
Th - температура нагретой стенки
Tc - температура холодной стенки
y
-безразмерная координата
-(отношение поперечной координаты
-к толщине пограничного слоя)
V- коэффициент местных потерь
давления,
7

8.

Пьезометрическая линия
• Местные потери напора
сосредоточены на входе в
воздушную прослойку.
• На выходе из прослойки давление
равно атмосферному на отметке
прослойки.
• Перепад давления на входе в
прослойку равен давлению тяги.
Пьезометрическая линия для
воздушной прослойки
8

9.

Расчетная зависимость скорости потока от
геометрических параметров воздушной прослойки
Зависимость скорости потока от геометрических параметров
воздушной прослойки
2,5
2 метра
2,05 метра
2,1 метра
Скорость V (м/с)
2
2,5 метра
3
1,5
4 метра
5 метров
8 метров
1
11 метров
14 метров
0,5
17 метров
20 метров
0
0
1
2
3
4
5
6
Ширина воздушного зазора (h, м)
9

10.

Расчетная зависимость температуры от
геометрических параметров воздушной прослойки
Зависимость температуры от геометрических параметров
воздушной прослойки
9
2 метра
Температурный перепад (0С)
8
2,05
7
2,1 метра
2,5 метра
6
3 метра
5
4 метра
4
5 метров
8 метров
3
11 метров
2
14 метров
17 метров
1
20 метров
0
0
1
2
3
4
5
6
Ширина воздушного зазора (h, м)
10

11.

Численное моделирование
Векторы скорости (м/с)
Температура (К)
11

12.

Зависимость скорости потока от геометрических параметров
воздушной прослойки (численный эксперимент для расчетной
конструкции)
Зависимость скорости потока от геометрических параметров
воздушной прослойки
1,2
2
2,05
Скорость V (м/с)
1
2,1
2,5
0,8
3
4
0,6
5
0,4
8
11
0,2
14
0
0
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
Ширина воздушного зазора (h, м)
0,08
0,09
0,1
17
20
12

13.

Зависимость температуры от геометрических параметров воздушной
прослойки (численный эксперимент для расчетной конструкции)
Зависимость температуры от геометрических параметров
воздушной прослойки
263
Температура (К)
262
2
261
2,05
260
2,1
259
2,5
3
258
4
257
5
256
8
255
11
14
254
17
253
0
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
0,08
0,09
0,1
20
Ширина воздушного зазора (h, м)
13

14.

Направления практического примения результатов.
Усовершенствование конструкций НВФ
Узлы примыкания конструкций НВФ к цоколю:
14

15.

Пьезометрические линии при различных условияз
Пьзометрическая линия
зазора наветренной стороны
Пьзометрическая линия
зазора подветренной
стороны
Пьезометрическая линия для
движения с большими входными
потерями
15

16.

Эпюра скорости в вертикальном зазоре для
движений с переменным по длине расходом
Эпюра скорости для идеальной воздушной
прослойки с постоянным по длине расходом
Эпюра скорости для воздушных прослоек со
спутным потоком падающим вниз (наветренная
сторона, задувание холодного воздуха).
Эпюра скорости для воздушных прослоек со
спутным потоком, движущимся вверх (подветренная
сторона, выдувание горячего воздуха).
16

17.

Численное моделирование реальных конструкий
Векторы скорости (м/с)
Температура (К)
17

18.

Численное моделирование реальных конструкий
Зависимость скорости потока от геометрических параметров
воздушной прослойки
Скорость V (м/с)
0,18
0,16
2
0,14
2,05
2,1
0,12
2,5
0,1
3
0,08
4
5
0,06
8
0,04
11
14
0,02
17
0
0
-0,02
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
20
Ширина воздушного зазора (h, м)
18

19.

Численное моделирование реальных конструкий
Зависимость температуры от геометрических параметров
воздушной прослойки
264
262
Температура (К)
2
2,05
260
2,1
2,5
3
258
4
5
256
8
11
14
254
17
20
252
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
Ширина воздушного зазора (h, м)
19

20.

Направления практического примения результатов.
Усовершенствование конструкций НВФ
+
20

21.

Направления практического примения результатов.
Усовершенствование конструкций НВФ
Векторы скорости (м/с)
Температура (К)
21

22.

Направления практического примения результатов.
Усовершенствование конструкций НВФ
Зависимость скорости потока от геометрических параметров
воздушной прослойки
0,14
0,12
2
2,05
Скорость V (м/с)
0,1
2,1
0,08
2,5
0,06
3
0,04
4
5
0,02
8
0
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
11
-0,02
14
-0,04
17
-0,06
20
Ширина воздушного зазора (h, м)
22

23.

Направления практического примения результатов.
Усовершенствование конструкций НВФ
Зависимость температуры от геометрических параметров
воздушной прослойки
264
2
2,05
Температура (К)
262
2,1
2,5
3
260
4
5
258
8
11
14
256
17
20
254
252
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
Ширина воздушного зазора (h, м)
23

24.

Выводы
С помощью гидравлических методов расчета были определены
характеристики потока в условиях термогравитационной конвекции
(средняя скорость, расход, потери напора, давление, интенсивность
передачи теплоты, показатель политропы, средняя по расходу
температур и т.д.). Получены основные расчетные зависимости.
Было произведено численное моделирование плоского потока в
условиях термогравитационной конвекции. Построены
пьезометрические линии для восходящего свободно-конвективного
потока в вертикальном плоском канале для различных условий.
Определены направления по практическому применению полученных
результатов для принятия оптимальных проектных решений и
усовершенствованию существующих конструкций НВФ.
Отмечено, что скорости в расчетных (предлагаемых) конструкциях
составляет не ниже 1 м/с, в реальных конструкциях- 0,07-0,08 м/с, в
реальных конструкциях с диффузором 0,1-0,14 м/с.
24