Неизотермическая фильтрация воздуха через ограждающие конструкции замкнутых помещений

Влияние фильтрации воздуха на температурный и влажностный режим ограждения весьма значительно. Не меньшее влияние фильтрация оказывает и на температурно-влажностный режим помещений. Этим объясняется то большое внимание, которое уделяется вопросам фильтрации воздуха.

Фильтрационное движение воздуха через ограждающую конструкцию. Практические сведения о фильтрации воздуха имелись задолго до возникновения теории фильтрации, развитие которой началось во второй половине XIX столетия. В основу научной разработки вопросов фильтрации воздуха был положен закон сопротивления при фильтрации жидкости.

На основе систематических опытов по фильтрации в пористых строительных материалах Ланг в 1877 г. установил аналогичную зависимость для воздухопроницаемости. В качестве основной характеристики фильтрационных свойств материала Ланг предложил понятие коэффициента воздухопроницаемости.

Изучению величин коэффициента воздухопроницаемости было посвящено i большое количество экспериментальных и теоретических исследований.

В лаборатории Ф. Ф. Эрисмана в 1896 г. проводились опыты по определению воздухопроницаемости глиняных сырцовых материалов. Позднее проф. К. Я. Илькевич [29] определял воздухопроницаемость различных строительных растворов и песков.

В 1922 г. была опубликована ставшая классической диссертация профессора гидравлики ПЛИ H.H. Павловского [48]. Результаты H.H. Павловского нашли применение в практике фильтрационных расчетов.

Наряду с Н. Е. Жуковским, H.H. Павловский является создателем гидромеханической теории фильтрации. H.H. Павловский установил границы существования линейного закона Дарси и предложил для определения этих границ использовать безразмерный критерий Рейнольдса. ' >

H.H. Павловским создана замечательная школа научных работников и преподавателей, специалистов в области гидравлики и гидротехники, таких, как.

В.И. Аравин, Н. И. Дружинин, C.B. Избаш, С. Н. Нумеров, А. Н. Патрашев, P.P. Чугаев [2,3,26,28,49,70]. Они создали большой задел в области фильтрации жидкости и газа, фильтрацией воздуха они не занимались.

В 1934 г. Л. С. Лейбензон [41] сделал широкое обобщение законов фильтрации, на основе которого им была получена общая формула, заключающая в себе основные законы фильтрации. Спустя несколько лет С. А. Христианович [68] предложил видоизменение формулы Дюпюи, заложив основы нелинейной теории фильтрации.

В 30-е годы исследованиями воздухопроницаемости строительных материалов и ограждающих конструкций занимались П. А. Брянцев, Б. Ф. Васильев, С. И. Ветошкин, Д. Д. Галанин, С. И. Идашкин, М. И. Субботкин, П. С. Философов. За рубежом значительные работы в это же время выполнялись Райшом [76].

Значительный вклад в физику фильтрационного переноса примеси для строительных задач внесли A.B. Лыков и его школа в минском институте тепломассобсена ((ИТМО имени Лыкова HAH 1 Белоруссии) (1958. 1974).'/, Основные результаты получены для капельных жидкостей. Для газообразных сред остаются в силе результаты A.B. Лыкова и Ю. А. Михайлова по распределениям функции проницаемости, по эффекту Соре диффузионной конвекции, по нелинейной фильтрации [42, 43]. Прикладные работы в строительной отрасли по гидравлике воздушных потоков оказались устойчивыми к исследованиям минской школы.

Наиболее капитальные и систематические экспериментальные работы в строительной отрасли, связанные с определением воздухопроницаемости и законов фильтрации для строительных материалов и ограждающих конструкций, были выполнены P.E. Брилингом в 1936—1937 гг. в лаборатории инфильтрации ЦНИПС [9].

По классификации P.E. Брилинга, кроме сквозной фильтрации, при которой через все сечения, параллельные плоскостям стены, проходит одинаковое количество воздуха, существуют еще два вида фильтрации: продольная и внутренняя.

Явление продольной фильтрации состоит в том, что при воздействии ветра холодный наружный воздух, поступив через наружную поверхность в толщу ограждения, не проникает в помещение, а возвращается обратно по ходам фильтрации (трещинам, зазорам, вентиляционным каналам).

Внутреннюю фильтрацию можно рассматривать как естественную конвекцию в ограниченном пространстве, заполненном материалом с крупными незамкнутыми пустотами. Влияние внутренней фильтрации воздуха на температурный режим наружных стеновых панелей, утепленных воздухопроницаемыми материалами, рассматривается в работе Ю. А. Калядина [31].

Все три вида фильтрации оказывают влияние на теплозащитную способность ограждения.

Исследованиями воздухопроницаемости строительных конструкций материалов в лабораторных и натурных условиях занимались М. В. Артемов, Н. И. Березина,' В. Н. Богословский, Ш. Ф. Акбулатов, Г. Н. Прозоровский, Е. И. Семенова, П. А. Теслер, В. П. Титов, Ф. В. Ушков и др. [1, 6, 7, 8, 9, 63, 64,'' < 65, 66].

Метод количественной оценки влияния фильтрации на теплозащитные свойства ограждений изложен в статье В. Г. Гагарина, В. В. Козлова, A.B. Садчикова, И. А. Мехнецова [54], влияние продольной фильтрации рассмотрены в работах [18, 19, 35]. Воздухопроницаемость и фильтрация воздуха так же исследовались в работах Валова В. М., Цвяка А. Н., Пахотина Г. А., Кривошейна А. Д., Г. Г. Максимова, Г. М. Позина, Т. А. Дацюк и др [11−15, 36, 44, 69].

Исследования влияния фильтрации воздуха на тепло-влажностный режим ограждения и воздушный режим помещения представлены в работах [4, 12, 14, 16,31,46,69]. ' ', .

В настоящее время при строительстве жилых зданий в качестве наружных ограждений применяются эффективные многослойные ограждающие конструкции. В основном применяют многослойные стены с эффективным утеплителем [27]. Во многих регионах страны строятся быстровозводимые здания и сооружения. Примером таких конструкций является легкая ограждающая конструкция. Каркас легкой ограждающей конструкции выполнен из термопрофилей, которые обрамляют эффективный утеплитель. Термопрофильэто легкий стальной тонкостенный профиль (ЛСТК) с просечками, выполненными в шахматном порядке.

Они успешно используются для возведения легких каркасных конструкций мансард, коттеджей, быстровозводимых малоэтажных зданий. Это обусловлено основными достоинствами ЛСТК: малый вес конструкцийбыстрое и высокоточное строительствовсесезонность монтажадолговечностьэкологичностьнизкие эксплуатационные расходы. Применение ЛСТК максимально индустриализует строительный процесс, делает его легкоуправляемым и поэтому привлекательным для заказчика, дает ' возможность создавать легкие конструкции большой несущей способности.

Недостаточно исследован вопрос о механизме, фильтрации воздуха через, м • 1 1 1"и ' «I, '|У «I !)» 1 Г ограждающие конструкции. Возможно ли, для расчета ограждающей конструкции применять гидравлическую теорию фильтрации? Недостаточно изучен вопрос о переносе консервативной примеси (температуры) при фильтрации воздуха через ограждающую конструкцию. Какова доля переносимой теплоты в общем потоке теплоты? Каковы коэффициенты фильтрации в конкретной ограждающей конструкции.

Ясно, что при фильтрации (медленном просачивание воздуха под воздействием перепада давления) обеспечивается полное совпадение температуры воздуха в порах и температуры твердого тела. Поэтому распределение температуры в стенке определяет распределение температур (концентрированной консервативной примеси) и наоборот, фильтрация воздуха 4 влияет на температуру ограждающей конструкции. В условиях вентиляции помещения доля фильтрационного переноса консервативной примеси (температурной) в общем тепловом балансе ограждающей конструкции изменяется в пользу теплопроводности. Как влияет вентиляция помещения на тепловой баланс помещения? Перечисленные задачи фильтрации воздуха недостаточно освещены в технической и нормативной литературе.

Эти задачи актуальны для развития энергосберегающего строительства, в том числе для определения воздухопроницаемости ограждений и для помещений с ограниченной кратностью воздухообмена (складские, производственные помещения).

Имеются значения и методики определения коэффициента фильтрации материала. Интерес представляет коэффициент фильтрации конструкции. В связи с этим цели диссертационной работы формулируются так.

Цель исследования: гидравлическая методика определения фильтрационного переноса температуры и теплоты через ограждающую конструкцию замкнутого помещения. Поставленная цель может быть достигнута с использованием экспериментальных и теоретических исследований на основе методов технической механики жидкости и газа.

В соответствии с поставленной задачей исследования необходимо решить, I следующие задачи:

1. Провести анализ исследований, посвященных влиянию фильтрации воздуха на перенос консервативной примеси сквозь наружные ограждающие конструкции.

2. Разработать гидравлическую схему переноса консервативной примеси воздухом в замкнутом помещении.

3. Выполнить экспериментальные исследования коэффициента фильтрации.

4. Определить перенос консервативной примеси (температуры и теплоты) в замкнутом помещении.

Научная новизна представленной работы состоит в применении результатов фильтрации для расчета параметров воздухопроницаемости (коэффициента фильтрации и сопротивления) воздуха через ограждающую конструкцию: 1. На основе экспериментальных данных и аналитических оценок получено эмпирическое выражение для коэффициента фильтрации 0 <^-^10(ЫООООО) = 2,29, связывающее коэффициент потерь напора и коэффициент фильтрации. Коэффициент фильтрации экспериментально исследованной легкой ограждающей конструкции составляет А: = 1,8 -10″ 5 м/с.

2. На основании экспериментальных исследований предложен полуэмпирический способ расчета воздухообмена как фильтрационный расчет неизотермического потока воздуха, переносящего консервативную примесь (температуру и теплоту).

Достоверность результатов определяется тем, что теоретические и численные исследования основываются на использовании хорошо апробированных теорий и методов расчета технической механики жидкости. Экспериментальные результаты получены по известным методикам с оценкой погрешности измерений и удовлетворительно согласуются с теоретическими результатами автора. Результаты расчета, проведенного по предложенной методике, согласуются с экспериментальными и теоретическими результатами других исследователей. 1 ¦¦ «,, <

Практическая значимость работы заключается в:

1. Расчете инфильтрации воздуха сквозь ограждающую конструкцию. При полностью изолированном помещении падение давления происходит медленно. Поэтому в каждый момент времени можно считать фильтрацию воздуха стационарной и тогда, если известен коэффициент фильтрации, можно рассчитать величину фильтрационного расхода и оценить перенос теплоты фильтрационного потока.

2. Количественной оценке величины переноса консервативной примеси (теплоты и температуры) фильтрационным потоком. Решается вопрос о доли переноса примеси фильтрационного потоком в общем тепловом балансе помещения. г «.

3. Определение инфильтрации примеси в условиях проветривания сквозь вентиляционные отверстия.

Личное участие автора заключается в определении параметров воздухопроницаемости (коэффициента фильтрации и сопротивления) воздуха через ограждающую конструкцию, в разработке методики определения фильтрационного переноса температуры и теплоты через ограждающую конструкцию замкнутого помещения и в экспериментальных исследованиях коэффициента фильтрации в натурных условиях.

На защиту выносятся:

1. Расчет фильтрационного потока, переносящего консервативную примесь, можно производить по схеме Дюпюи. Распределение концентраций температуры и теплового потока производится с учетом уравнения переноса теплоты.

2. Для полностью изолированного помещения падение перепада давления на ограждающей конструкции происходит медленно. Поэтому в каждый момент времени можно считать фильтрацию воздуха стационарной и тогда, если известен коэффициент фильтрации, можно рассчитать величину фильтрационного расхода и оценить перенос примеси фильтрационным потоком воздуха.

3. Доля конвективного переноса консервативной примеси (теплоты) фильтрационным потоком в тепловом балансе помещения значительна и составляет до 40% в общем потоке теплоты.

4. Определение величины расхода и средней скорости в воздушных потоках при проветривании сквозь вентиляционные отверстия помещения.

Автор выражает благодарность Я. В. Скворцову (техн. директор по пуско-наладочным работам на теплогенерирующих и теплопотребляющих энергоустановках ЗАО «ТТМ»), П. Г. Комарову (ген. директор ООО «Авекс Плюс»), E.H. Жмарину (исп. директор, ООО «БалтПрофиль») за помощь в предоставление экспериментального стенда и проведении экспериментальных исследований.

Результаты работы 'внедрены в' ПНИПКУ «Венчур» ^для'1″ расчета температурно-влажностного режима и параметров воздухообмена зданий и сооружений с легкими ограждающими конструкциями.

Заключение

Основные результаты и выводы.

Полученные в диссертационной работе результаты позволяют сделать следующие выводы:

1. Показано, что на промежутке времени от 0<�К (5/К) тепловой поток переносимый фильтрацией сопоставим с тепловым потоком за счет теплопроводности. При открытой системе вентиляции сквозь стенку проходит тепловой поток вызванный теплопроводностью, а сквозь вентиляционные отверстия проходит конвективный тепловой поток. Общий баланс меняется в сторону резкого увеличения тепловых потерь.

2. Получено эмпирическое выражение для коэффициента фильтрацииС' (к• 100 000) = 2,29, связывающее коэффициент л л 1 + г потерь напора и коэффициент фильтрации. Коэффициент фильтрации экспериментально исследованной легкой ограждающей конструкции? оставляет'^-1,8-ю-5м/с— .'У: А'.-/* чУ ?" у' - ч1' 'чг,.

3. Установлено, что средняя воздухопроницаемость ограждающих конструкций при закрытых вентиляционных каналах в испытанных помещениях здания и разности давлений внутреннего и наружного воздуха 50 Па обеспечивает воздухообмен кратностью: п5о=2,0±0,18 ч" 1.

4. Показано, что воздухопроницаемость конструкций и кратность воздухообмена в испытанных помещениях соответствует нормативным требованиям.

5. Установлен закон подобия, связывающий коэффициент фильтрации и теплоемкости изученной конструкции легкого ограждения: к2 лг = 5,7−1(Г14,где Ы = и.