Вентилируемый фасад — это фасад с воздушным зазором, направленный на защиту от климатических условий и экстерьерное оформление. Система построена таким образом, что воздушный зазор, расположенный между теплоизоляцией и внешней облицовкой, обеспечивает свободное движение воздуха. Свободные конвективные потоки воздуха возникают в воздушном зазоре из-за процесса конвекции, которая зависит от разницы плотности и обусловлена передачей тепловой энергии из-за неоднородности температуры. Кроме того, есть технологические зазоры – противопожарные рассечки. С физической точки зрения, фасад без противопожарных рассечек формирует идеальный канал. Эти конструктивные особенности влияют на скорость воздуха в вертикальном канале. Скорость воздуха влияет на температуру и влажность слоя теплоизоляции. Как видно из вышесказанного, естественное движение воздуха в зазоре обеспечивает сухость стены и предотвращает образование конденсата в слое теплоизоляции.
В данной статье будет проведено изучение свободного конвективного потока в вертикальном вентилируемом канале и определены термофизические свойства вентилируемых воздушных зазоров и их влияния на температуру и влажность фасадных конструкций. В работе изучаются физические процессы свободного конвективного потока и определяются условия фильтрации холодного воздуха в зазоре. Существует ряд проблем, связанных с конденсацией влаги в конструкции при эксплуатации вентилируемых фасадных систем с воздушным зазором, широко используемых в настоящее время в строительстве. В статье описывается влияние расположения противопожарных рассечек и методов нагрева внутреннего слоя стены на скорость воздуха и температуру в вертикальном воздушном зазоре вентилируемого фасада. Это особенно важно в условиях низкой температуры и влажной климатической зоны.
Цели и задачи исследования:
- определение влияния плотности противопожарных рассечек и способа нагрева горячей поверхности на распределение температуры и скорости воздуха в свободном конвективном потоке;
- определение средней скорости и температуры свободного конвективного потока в воздушном зазоре в зависимости от шага противопожарных рассечек при постоянных геометрических параметрах зазора;
- определение параметров тепло- и массопереноса для различных степеней нагрева горячей поверхности.
Ожидаемые результаты:
Исследование должно дать лучшее понимание влияния плотности противопожарных рассечек и методов нагрева горячей поверхности на свободный конвективный поток в вентилируемых фасадных системах. Результаты позволят оптимизировать конструктивные параметры вентилируемых фасадов для улучшения их термических и влагозащитных свойств. Исследование будет полезным для архитекторов, строителей и исследователей.
1. Методы
Необходимо обращать внимание на водоемкость материалов, чтобы избежать избытка влаги. Большинство методов контроля влаги в слое утеплителя направлены на уменьшение поступления влаги в воздушный зазор.
Самым экономичным и практичным методом удаления влаги является использование свободно конвективных воздушных потоков, поскольку источником энергии является тепловой поток от горячей стены к воздуху. Искусственные внешние источники энергии (вентиляторы) не требуются. Свободная конвекция в гравитационном поле обусловлена существованием отрицательного градиента плотности воздуха, который связан с градиентом температуры. Если поверхностная температура выше окружающей температуры, воздушный поток на поверхности нагревается, становится легче и поднимается. В этом случае менее плотные слои воздуха заменяют поднятые слои.
При рассмотрении процесса удаления влаги необходимо уделить особое внимание пазам, которые выполняют функцию термического компенсатора. Противопожарные рассечки на облицовке обеспечивают гидравлическое соединение с наружным воздухом. Все эти факторы играют важную роль при проектировании и инжиниринге воздушных зазоров. Схематическая картина вентилируемого зазора (рис. 2), расположенного между «горячей» плоскостью y = 0 (с температурой Th = 67) и холодной плоскостью y = h (с температурой Tc = 22). Давление на уровне z = 0 равно p0, давление на уровне z = h равно p1, при этом p0 > p1. Необходимо оценить среднюю скорость и температуру свободно конвективного потока.
Требуемый контрольный объем проходит через воздушный зазор и распространяется от нулевого уровня до плоскости z = L, которая находится над выходным воздушным отверстием. Принимается, что наружный воздух проникает в воздушный зазор через нижние отверстия. Из отверстий сверху наружный воздух выходит.
Обогрев обеспечивается тремя вертикально закрепленными блоками тепловых элементов. Для равномерного распределения тепла блоки тепловых элементов крепятся к листу оцинкованной стали с высокой теплопроводностью. В результате Th = const. Высота модели составляет L = 2040 мм, при этом L >> h. При изготовлении фасадной модели необходимо учитывать разницу в температуре внешнего и внутреннего слоев, что обусловлено работой системы отопления. Модель учитывает нагрев стены и тепловой поток в воздушном зазоре. Для этого эксперимента использовались различные комбинации тепловых элементов: нижние-средние, нижние-верхние. Комбинация верхние-средние не используется, так как нижняя часть установки не обогревается и отсутствует подогрев воздуха на входе в канал. Температура в этом участке остается гомотермальной, следовательно, активного движения воздуха нет и воздушный поток неэффективен.
Скорость зависит от способа подачи воздуха, внутренних параметров зазора и метода нагрева горячей плоскости. В экспериментах ширина зазора /h/ установлена на h = 80 мм = const. В экспериментах определены шаги противопожарных рассечек с различными фиксированными методами активации тепловых элементов. Для этого измерялись средняя скорость и температура воздуха в центральной части нижнего уровня.
Рис. 1. Схема установки
2. Результаты и их обсуждение
В рамках данных измерений были получены следующие графики, рис. 2-10. На рисунках 2-3 показана зависимость воздуха и скорости от высоты при различном шаге противопожарных рассечек и постоянном нагреве по высоте. На основании полученных зависимостей установлено, что температура воздушного потока увеличивается при увеличении шага противопожарных рассечек (при неизменной плотности теплового потока по высоте обогреваемого канала). Наиболее существенной причиной является уменьшение притока воздуха высокой плотности в канал. Скорость максимальна в идеальном канале (противопожарные рассечки полностью закрыты).
Рис. 2. Распределение температуры по высоте канала в зависимости от шага противопожарных рассечек при постоянной высоте нагрева
Рис. 3. Распределение скорости по высоте канала в зависимости от шага противопожарных рассечек при постоянной высоте нагрева
На рисунках 4-5 показаны отношения скорости-температуры к высоте с разным шагом противопожарных рассечек и активированными центральным и нижним источниками тепла. При нагреве нижней и центральной секций установки температура верхней секции существенно не изменяется. Как можно предположить, повышение температуры воздушного потока происходит за счет обдува через верхние рассечки. В верхнем ненагреваемом сечении канала скорости сходятся и не имеют отношения к шагу противопожарных рассечек.
Рис. 4. Распределение температуры по высоте канала в зависимости от расположения противопожарных рассечек с активированными центральным и нижним источниками тепла
Рис. 5. Распределение скорости по высоте канала при расположении противопожарных рассечек с активированным центральным и нижним источником тепла
На рисунках 6-7 показаны отношения скорости-температуры-высоты при различном шаге противопожарных рассечек и активированных центральном и нижнем источниках тепла. На основании полученных результатов сделан вывод, что распределение температуры и скорости относительно шага противопожарных рассечек соответствует приведенным выше графикам, при нагреве входного и выходного каналов и адиабатизации центральной части. На центральном неотапливаемом участке минимальное расслоение экспериментальных данных.
Рис. 6. Распределение температуры по высоте канала в зависимости от расположения противопожарных рассечек с активированными центральным и нижним источниками тепла
Рис. 7. Распределение скорости по высоте канала при расположении противопожарных рассечек с активированными центральным и нижним источниками тепла
На рисунках 8-10 показано отношение скорости к высоте при различных вариациях распределения теплового потока. Установлено, что скорость увеличивается в нагретых областях. Из рисунков 9, 10 видно, что увеличение скорости максимально в идеальном канале.
Это можно объяснить неспособностью воздуха высокой плотности проникать в канал, а также изменением отсутствия движения воздушного потока при герметизации противопожарных рассечек.
Рис. 8. Распределение скорости по высоте канала в зависимости от изменения теплового потока при разомкнутых противопожарных рассечках
Рис. 9. Распределение скорости по высоте канала в зависимости от изменения теплового потока при шаге противопожарных рассечек один метр
Рис. 10. Распределение скорости по высоте канала в зависимости от изменения теплового потока в идеальном канале
Основной целью данной статьи является исследование механизмов действия способа обогрева стены на тепло- массообменные параметры фасада по его высоте. Статья посвящена экспериментальному определению зависимости температуры и скорости воздушного потока от сочетания источников тепла в вентилируемом канале фасада и ширины панелей облицовочных слоев.
В данном исследовании исследуется влияние переменного положения источников тепла и различных комбинаций противопожарных рассечек на эффективность всей системы.
3. Выводы
На основании полученных результатов можно сделать следующие выводы:
- Проведена серия экспериментальных исследований, в результате которых установлено, что фасад чувствителен к изменению количества противопожарных рассечек и изменению способа обогрева.
- Максимальная скорость – около 0,37 м/с – наблюдается при герметично закрытых противопожарных рассечках (идеальный канал), но в настоящее время такая система технологически неосуществима. Оптимальным является минимальное количество противопожарных рассечек (в данном случае интервал 600 мм).
- В целях экономии тепловой энергии обогревом средней части канала можно пренебречь. При пренебрежении подогревом средней части средняя скорость претерпевает незначительные изменения.
- Скорость изменения температуры в различных зонах нагрева изменяется в зависимости от расстояния между рассечками. Расслоение экспериментальных данных на необогреваемых участках минимально.
Был рассмотрен наиболее экономичный и практичный метод удаления влаги из воздушного зазора навесного вентилируемого фасада – с помощью свободно конвективных потоков воздуха. Описан эксперимент, проведенный на лабораторном стенде, имитирующем собой навесной вентилируемый фасад. Были определены параметры тепломассообмена и конструктивные особенности отдельно взятой фасадной конструкции. Также было рассмотрено влияние технологических зазоров-рустов, воздействующих на скорость воздуха в вентилируемом канале, которая, в свою очередь, влияет на температурно-влажностный режим фасадных конструкций. Приведена численная оценка скорости движения и температуры воздуха по высоте вентилируемой прослойки. Установлено влияние рустов и способа обогрева «горячей» стенки на распределение скорости и температуры воздушного потока. Оптимальной является конструкция с наименьшим, с технологической точки зрения, количеством рустов.
