6814
.pdfНа правах рукописи
Кочев Алексей Геннадьевич
МИКРОКЛИМАТ ПРАВОСЛАВНЫХ ХРАМОВ
05.23.03 - Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение
А В Т О Р Е Ф Е Р А Т диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Нижний Новгород - 2006
Научный консультант
доктор технических наук, профессор Бодров Валерий Иосифович
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор Кувшинов Юрий Яковлевич, доктор технических наук, профессор Калашников Михаил Петрович, доктор технических наук, профессор Анисимов Сергей Михайлович
Ведущая организация
Нижегородский научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт «АТОМЭНЕРГОПРОЕКТ»
Защита состоится «22» декабря 2006 г. в 1300 часов на заседании диссертационного совета Д 212.162.02 при Нижегородском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Ильинская, д. 65, корпус 5, аудитория 202.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного архитектурно-строительного университета.
Автореферат разослан « 03 » |
октября |
2006 г. |
Ученый секретарь |
|
|
диссертационного совета, |
|
|
кандидат технических наук, доцент |
|
М.О. Жакевич |
1
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Интенсивное восстановление и реконструкция куль товых зданий в настоящее время привело к тому, что одной из основных проблем становится создание и поддержание требуемых параметров микроклимата в право славных храмах. Долгое время основное их количество было в заброшенном со стоянии, и они эксплуатировались не по своему прямому назначению. Аналогич ные проблемы возникают при переводе летних храмов на круглогодичный режим эксплуатации и при строительстве новых соборов и церквей.
Уникальные сооружения, построенные в основном до 20 гг. XX века, по теп лотехническим характеристикам наружных стен являются аналогами зданий, кото рые по нормативным требованиям необходимо строить с 2000 года. Поэтому, ис комый материал окажет существенную помощь при создании и поддержании мик роклимата существующих зданий, а также при проектировании новых.
Особенности обрядов и служб в православных храмах вызывают повышен ные требования к интерьеру и акустике. Поэтому доминирующим является органи зованный аэрационный воздухообмен в течение всего периода эксплуатации.
Вопросы аэрации помещений, характера движения воздушных масс и аэро динамических характеристик зданий рассматривались, в основном, применительно к сооружениям промышленного назначения или зданиям простейшей конфигура ции. В некоторых работах дается исследование аэрации культовых сооружений де ревянного русского зодчества.
Однако наибольшее внимание при изучении аэродинамики воздушных пото ков внутри и снаружи сооружений, тепло- и массообмена на внутренней поверхно сти наружных ограждений уделено промышленным зданиям и некоторым типам общественных, по ряду характеристик отличающихся от уникальных сооружений. При рассмотрении тепловой гравитационной конвекции внутри сооружений необ ходимо учитывать многочисленные особенности уникальных сооружений. Анализ развития свободноконвективных струй выявил их особенности при взаимодействии с внутренними поверхностями наружных ограждающих конструкций, которые до настоящего времени не имеют полного теоретического и экспериментального обоснования.
Культовые сооружения представляют собой сложные конструкции, в кото рых боковые приделы отгораживают основной зал храма от внешнего воздействия окружающей среды. Дело в том, что приделы имеют по три наружных стены с фрамугами для циркуляции наружного воздуха, а основной зал некоторых храмов не имеет наружных стен, в которых могли бы разместиться фрамуги. Над основным залом храма располагается центральный барабан, в котором и размещаются фраму-
2
ги. Такое расположение окон обусловлено стремлением вовлечь в процесс аэрации по возможности большее количество воздушных масс. Приделы и основной молебенный зал соединены между собой. Это позволяет наружному воздуху проникать через приточные фрамуги придела и барабана и, смешиваясь с внутренним возду хом, удалять теплоизбытки через вытяжные каналы и фрамуги приделов и цен трального барабана.
Отсутствие данных по аэродинамике зданий храмов приводит к неточным результатам при расчёте аэрационных воздухообменов.
Анализ отечественной и зарубежной литературы выявил недостаточную изу ченность и отсутствие системного подхода в вопросе изучения тепловлажностного состояния ограждающих конструкций и микроклимата православных храмов.
Изучение теплового режима элементов оконных проемов проводилось мно гими исследователями, но применительно к православным храмам данная задача комплексно не рассматривалась.
Существенное влияние на тепловлажностный и световой режимы помещений оказывают светопрозрачные конструкции. Среди факторов, влияющих на указан ные режимы, можно отметить конструкцию оконных проемов, их площадь, ориен тацию, характер расположения. На внутренней поверхности остекления в первую очередь выпадает конденсат и происходит его замерзание.
К интерьеру помещений православных храмов в большинстве случаев предъ являются повышенные архитектурно-художественные и акустические требования, поэтому не представляется возможным прокладка воздуховодов систем вентиляции без нарушения интерьера. Решить эту задачу можно расчетом и установкой аэраци онных фрамуг, которые позволяют поддерживать требуемый воздухообмен в по мещении храма при минимальном нарушении внутреннего убранства.
Установка открывающихся фрамуг в окнах храма определяет характер дви жения воздушных потоков в области оконного проема внутри помещения, влияет на формирование температурных полей вблизи проема, а также приводит к измене нию температуры поверхностей остекления и откоса,
В настоящее время, в том числе и в связи с введением новых требований на теплотехнические показатели ограждающих конструкций, толщина наружных кир пичных стен получается около 1 м и более, что характерно для стен старых зданий православной культовой архитектуры. Тепловой режим оконных откосов церквей определяется не только типом оконного переплета, но и его расположением по от ношению к продольной оси стены, а это, в свою очередь, приводит к возможности конденсации влаги, содержащейся в воздухе помещения, на внутренних поверхно стях наружных стен и вблизи оконных переплетов.
3
В данной работе исследуются тепловой и воздушный режимы элементов оконных проемов в зависимости от различных параметров, аэродинамических харак теристик православных храмов на примере основных типов конструкций церквей.
Цель и задачи исследований. Разработка теоретических основ и практиче ских рекомендаций по созданию и поддержанию микроклиматических условий в православных храмах, зависящих от внутренних и наружных климатических воз действий.
Для достижения поставленной цели следует решить ряд задач:
1.Разработать методологию для комплексного решения внутренних, крае вых и внешних задач теплового и воздушного режимов при создании и поддержа нии микроклиматических условий в православных храмах.
2.Разработать математическую модель процессов изменения параметров внутреннего воздуха вдоль вертикальных наружных ограждающих конструкций православных храмов.
3.На основе теоретических исследований определить теплотехнические и аэродинамические характеристики для различных видов храмов и их элементов.
4.Исследовать требуемые параметры микроклимата для обеспечения мини мальных температурных деформационных напряжений конструкций, сохранности фресок, станковой живописи, художественной росписи и предметов культовых об рядов.
5.Обосновать и разработать методику нормирования теплотехнических ха рактеристик наружных ограждений храмов, как самостоятельного класса сооруже ний.
6.Провести экспериментальные исследования для определения теплотехни ческих и аэродинамических характеристик ограждающих конструкций храмовых сооружений.
7.Провести сравнительный анализ теоретических и экспериментальных ис следований и разработать инженерную методику расчёта обеспечения требуемых воздухообменов в храмах.
8.Разработать методики инженерных расчетов и практические рекоменда ции по обеспечению требуемых режимов работы систем кондиционирования мик роклимата храмов с учётом функциональной особенности помещений.
9.Практической апробацией подтвердить повышение надежности и эффек тивность рекомендуемых параметров технологического микроклимата в право славных храмах.
4
Научная новизна работы заключается:
-в разработанном методологическом подходе создания и поддержания параметров микроклимата в православных храмах на основе решения теплофизических, тепло технических и аэродинамических задач;
-в решении проблемы обеспечения требуемых микроклиматических условий в за висимости влияния внешних и внутренних климатических факторов;
-в разработанной методике расчета аэрационного воздухообмена в наиболее рас пространённых архитектурных формах культовых зданий, с учетом комплексного влияния оконных проемов на тепловой и воздушный режимы помещений;
-в теоретических, экспериментальных и технико-экономических положениях по исследованию способов создания и поддержания параметров микроклимата в по мещениях православных храмов.
Практическое значение работы. Разработана методика для более точного расчёта параметров микроклимата помещений на основе обеспечения требуемого воздухообмена. Предложены к применению математические зависимости, позво ляющие рассчитать температуру на поверхностях, расположенных над изотермиче ским участком, и максимальную скорость воздушного потока вблизи тех же по верхностей для различных высот. В разработанном на научно-технической основе комплексе методик: методике по определению оптимального положения оконного переплета по отношению к продольной оси стены церкви из условия минимизации плоскости возможной конденсации на ее внутренней поверхности и минимума теплопотерь через зону оконного откоса; методике расчета изменения теплопотерь че рез остекление оконных проемов при изменении межстеколъного расстояния; ре комендациях по применению полученных значений аэродинамических коэффици ентов при расчете теплопотерь через оконные проемы и через ограждающие конст рукции храма и подклетов; программном продукте для проведения расчетов тепло потерь через область оконного проема и элементов конструкций подклетов.
Реализация результатов исследований и обоснование достоверности на шли отражение при архитектурно-художественной реконструкции и восстановле нии инженерных систем для повышения надёжности обеспечения параметров мик роклимата следующих православных храмов: Собора св. Александра Невского (г. Н. Новгород), Спасской церкви (г. Н. Новгород), Собора Рождества Пресвятой Бо городицы (Строгановская церковь) (г. Н. Новгород), при расчёте и конструирова нии систем создания и поддержания микроклимата в Троицком и Преображенском Соборах (с.Дивеево Нижегородской обл.), в церкви святой Троицы (р.п.Ясенцы Нижегородской обл.), в Троицкой церкви (г.Заволжье Нижегородской обл.),. в
5
церкви Вознесения Господня ( пос. Ковернино Нижегородской обл.), в Крестовоздвиженском Соборе (на Белой горе в Пермской обл.), в.Соборе Боголюбивой Божьей Матери (р.ц. Боголюбово Владимирской обл.), в церкви Казанской Божьей Матери ( г. Суздаль Владимирской обл.), в церкви Дмитрия Солунского (с.Сима Юрьев-Польского района Владимирской обл.), в Троицкой церкви (сАрефино Вачского района Нижегородской обл.). Акты внедрения результатов научноисследовательской работы представлены в приложениях к диссертации
Апробация работы в виде докладов и обсуждений основных положений и результатов исследований проходила в Нижнем Новгороде, Москве, Новосибирске, Воронеже, Казани, Пензе, Перми, Могилеве и Самаре на следующих конференциях
и семинарах: на международном научно-промышленном конгрессе «Великие реки
-2001» (г. Нижний Новгород, 2001г.); на международном научно-промышленном конгрессе «Великие реки - 2002» (г. Нижний Новгород, 2002г.); на международном научно-промышленном конгрессе «Великие реки - 2003» (г. Нижний Новгород, 2003 г.); на XVII конференции и выставке «Москва — энергоэффективный город» (г. Москва, 2002г.); на XIX конференции и выставке «Москва — энергоэффективный город» (г. Москва, 2003г.);на международной научно-технической конференции «Охрана природы, гидротехническое строительство, инженерное оборудование» (г. Новосибирск, 1992г.); на научно-технических конференциях профессорскопреподавательского состава, аспирантов и студентов «Строительный комплекс - 97», «Строительный комплекс - 98» (г. Нижний Новгород, 1997-1998 гг.); на науч но-технической конференции профессорско-преподавательского состава, докторан тов, аспирантов и студентов «Архитектура и строительство - 2000» (г. Нижний Новгород, 2000 г.); на научном семинаре «Тепломассообмен» ННГАСУ (г. Нижний Новгород, 2001-2002 гг.), а также в трудах профессорско-преподавательского со става, аспирантов и студентов ННГАСУ (г. Нижний Новгород, 2002 г.); на респуб ликанской научно-технической конференции «Научно-технические проблемы сис тем теплогазоснабжения, вентиляции, водоснабжения и водоотведения» (г. Воро неж, 1998-2000 гг.); на международном научно-промышленном семинаре «Гидро механика отопительно-вентиляционных устройств» (г. Казань, 1995г.); на XXV11 научно-технической конференции «Научно-технический прогресс в строительстве» (г.Пенза, 1993 г.); на республиканской научно-технической конференции «Оптими зация систем очистки воздуха и вентиляции промышленных зданий» (г. Пермь, 1993 г.), на международной научно-технической конференции «Экология и ресур сосбережение» (г. Могилев, 1993 г.); на региональной 59-й научно-технической конференции «Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование.
6
На защиту выносятся:
1.Математическая модель расчёта температурных, скоростных полей на внутренних поверхностях наружных ограждающих конструкций, математическая модель расчёта распределения внешних давлений при действии ветра на ограж дающие конструкции.
2.Результаты теоретических и экспериментальных исследований аэродина мических и теплотехнических характеристик внутри помещений храмов.
3.Сравнительный анализ теоретически и экспериментально полученных за висимостей с результатами исследований отечественных и зарубежных авторов.
4.Инженерная методика расчёта аэрационного воздухообмена с учётом из менения температуры и скоростей по высоте конструкций при движении свободноконвективной струи с учётом распределения ветрового давления на наружных по верхностях храмов.
5.Результаты теоретических и экспериментальных исследований теплового
ивоздушного режимов оконных проемов православных храмов.
6.Математические зависимости описывающие, процессы теплопереноса и формирования температурных полей и воздушного режима в области оконного проема.
7.Результаты теоретических и экспериментальных исследований по опреде лению оптимального положения оконного переплета по отношению к продольной оси стены из условия минимизации ширины плоскости возможной конденсации и теплопотерь через область оконного откоса.
8.Результаты исследований по определению температурных полей остекле ния оконных проемов и нахождению оптимальной толщины воздушной прослойки многослойного остекления оконного блока из условия минимизации теплопотерь.
9.Результаты теоретических и экспериментальных исследований по форми рованию микроклиматических условий в подклетах храмов.
10.Инженерные методы расчетов теплового режима элементов оконных про емов и подклетов с использованием разработанного программного продукта.
11.Обоснование и оценка эффективности при использовании полученных ре зультатов исследований для обеспечения требуемых параметров микроклимата в православных храмах.
Публикации. По материалам выполненных исследований опубликовано 55 печатных работ, в том числе 27 статей, 24 издания в виде материалов конгрессов и тезисов докладов, Стандарт АВОК, 1 монография, получены 3 патента РФ.
7
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, выводов по диссертации, библиографического списка использованной литературы и приложений. Работа имеет общий объём 338 страниц машинописного текста, содержит 30 таблиц, 94 рисунков, библиографический список использован ной литературы из 474 наименований и 4 приложений.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определена цель исследований, описана её научная новизна и практическая значимость.
В первой главе проводится аналитический обзор отечественного и зарубеж ного опыта по архитектурным и конструктивным особенностям храмов, аэродина мике, аэрации, тепло- и массообмену в зданиях различного назначения. Особое внимание при этом уделено современному состоянию рассматриваемой проблемы.
Для изучения процессов внешней и внутренней аэродинамики, аэрации, теп ло- и массообмена уникальных сооружений был проанализирован обширный тео ретический материал по решению аналогичных задач для различных типов соору жений. Аэродинамические процессы подробно рассмотрены Л.Г. Лойцянским и Н.Я. Фабрикантом, промышленная аэродинамика освещена в работах- В.В. Батури на, В.В. Кучерука, Э.И. Реттера, СИ. Стриженова, В.Н. Талиева.
Наиболее полно процессы тепло- и массообмена рассмотрены в трудах Б. Гебхарта, Й. Джалурии, Р. Махаджана, Б. Саммакии, Э.Р. Эккерта, P.M. Дрейка, В.Н. Богословского.
Обзор научно-технической литературы показал, что наибольшее внимание при изучении аэродинамики воздушных потоков внутри и снаружи сооружений, тепло- и массообмена на внутренней поверхности наружных ограждений уделено промышленным зданиям и некоторым типам общественных, по ряду характеристик отличающихся от уникальных сооружений. Анализ развития свободноконвективных струй выявил особенности их развития при взаимодействии с внутренними по верхностями наружных ограждающих конструкций, которые до настоящего време ни не имеют теоретического и экспериментального обоснования.
Микроклимат помещений православных храмов во многом определяют теп лозащитные свойства ограждающих конструкций надземной и подземной частей здания. Большое влияние на теплопотери оказывают оконные проемы и места фор мирования неоднородных температурных полей, к которым следует отнести окон ные откосы, стыки и углы наружных конструкций.
8
Существенный вклад в разработку и совершенствование теории и практики теплового и воздушного режимов элементов конструкций и аэрации помещений гражданских и промьшшенных зданий внесли отечественные ученые Н.В.Акинчев, Ю.П.Александров, СМ.Анисимов, В.В.Батурин, В.Н.Богословский, Л.Д.Богуславский, Р.Е.Брилинг, Е.И.Булгаков, С.Е.Бутаков, Б.Ф.Василъев, С.М.Гришечко-Климов, В.Л.Громов, НСДавыдова, С.Ю.Диденко, В.А.Дроздов, В.М.Ильинский, П.Н.Каменев, К.П.Копылов, Л.Б.Кочубей, А.Д.Кривошеин, Б.А.Крупнов, ЮЛ.Кувшинов, Г.П.Кузема, В.В.Кучерук, Г.А.Максимов, В.Д.Мачинский, М.А.Михеев, Г.А.Пахотин, Е.В.Петров, Е.А.Петрова, Э.И.Реттер, В.К.Савин, Е.И.Семенова, С.И.Стриженов, Ю.А.Табунщиков, Ф.В.Ушков, К.Ф.Фокин, И.А.Фрухт, И.А.Шепелев, Е.О.Шилькрот, А.М.Шкловер и другие.
В диссертации приведен анализ исследований в области теплового режима подклета, оконных откосов, остекления оконных проемов, а также аэродинамики зданий и аэрации помещений.
Для определения влияния указанных факторов на тепловой и воздушный ре жимы помещения реализован подход к решению проблемы сформулированного в цели и раскрытого в перечисленных задачах настоящего исследования, который комплексно покажет степень их влияния на микроклимат помещения, а также даст возможность применить полученные аэродинамические характеристики право славных храмов для расчета их аэрационного воздухообмена.
Во второй главе приведены основы аэродинамики, аэрации, процессов теп ло- и массообмена, математические основы тепло- и массообмена на внутренних поверхностях наружных ограждающих конструкций.
В главе кратко показаны основные физико-математические зависимости изу чаемых процессов в различной интерпретации, рассмотрены основные принципы моделирования и теории подобия, критериальность изучаемых процессов.
Приведены способы изучения аэродинамической характеристики сооруже ний и их особенности. Изучение аэродинамических характеристик основывается на применении уравнения сплошности и уравнения Д. Бернулли для несжимаемой жидкости.
Описана общепринятая методика расчёта аэрации под действием тепловых избытков, ветровых воздействий и при совместном действии указанных факторов в применении к культовым зданиям. Разность давлений, вызывающих передвижение воздуха через любое отверстие, будет равна:
— для отверстий, работающих на приток, - для отверстий, работающих на вытяжку,