автореферат диссертации по строительству, 05.23.03, диссертация на тему:Влияние внешней аэродинамики на микроклимат православных храмов

На правах рукописи

Соколов Михаил Михайлович

ВЛИЯНИЕ ВНЕШНЕЙ АЭРОДИНАМИКИ НА МИКРОКЛИМАТ ПРАВОСЛАВНЫХ ХРАМОВ

Специальность 05.23.03 - Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

7 НОЯ 2013

Москва - 2013

005537465

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Кочев Алексей Геннадьевич

Официальные оппоненты: Гагарин Владимир Геннадьевич,

член-корреспондент РААСН, доктор технических наук, профессор, ФГБУ «Научно-исследовательский институт строительной физики Российской академии архитектуры и строительных наук», заведующий лабораторией строительной теплофизики;

Гвоздков Александр Николаевич, кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет», доцент кафедры теплогазоснабжения и вентиляции.

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный

архитектурно-строительный университет»

Защита состоится 28 ноября 2013 года в 1500 на заседании диссертационного совета Д 212.138.10, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» по адресу: 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, 26, МГСУ, «Открытая сеть» аудитория № 9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Московского государственного строительного университета.

Автореферат разослан «25 » 2013 г.

Учёный секретарь диссертационного совета

Гогина Елена Сергеевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Православные храмы - это уникальные сооружения и памятники архитектуры. Каждая деталь храма имеет глубокий смысл и значение. Однако, ввиду разрушительной деятельности Советской власти далеко не все храмы сохранились до наших дней. К примеру, в Нижнем Новгороде после революции 1917 сохранилось около 40 храмов лишь потому, что с них были сняты купола с крестами, а их помещения использовались не по назначению, например, как складские. Это приводило к нарушению микроклимата в помещениях, и, как следствие, порче внутренней отделки, исторических ценностей, а также частичному или полному разрушению самих сооружений.

В настоящее время увеличились объемы реконструкции и строительства новых храмов, поэтому требуется уделять особое внимание обеспечению требуемых параметров микроклимата культовых сооружений. Для обеспечения в православных храмах комфортных условий, снижения теплопотерь и улучшения эксплуатации ограждающих конструкций здания необходимо разрабатывать системы вентиляции. Однако, в силу эстетических, технических и экономических причин устройство приточно-вытяжной механической вентиляции в помещениях православных храмов не всегда представляется возможным. Обеспечение требуемого воздухообмена в помещениях можно добиться с помощью аэрации. Она требует самых минимальных эксплуатационных затрат и является относительно недорогой при монтаже. Для точного расчета аэрации православных храмов необходимо знание внешних аэродинамических характеристик церквей, что будет учитываться при расчете ветровых нагрузок на сооружение.

Цель работы и задачи исследования. Целью исследований является разработка теоретических основ и практических рекомендаций по созданию и поддержанию микроклиматических условий в исследуемых православных храмах, зависящих от внутренних и наружных климатических воздействий.

Для достижения поставленной цели следует решить ряд задач:

• Изучить архитектурные особенности православных храмов, функциональные особенности помещений, а также провести обзор научной литературы, где приводятся результаты исследований теплотехнических и аэродинамических характеристик для различных типов сооружений.

• На основе теоретических исследований определить основные теплотехнические и аэродинамические характеристики, определяющие микроклиматические условия для различных видов храмов и их элементов.

• Исследовать наружные аэродинамические характеристики храмов и элементов для обеспечения: требуемых параметров микроклимата вызывающих минимальные температурные деформационные напряжения конструкций, сохранности фресок, станковой живописи, художественной росписи и предметов культовых обрядов.

• Провести экспериментальные исследования для определения требуемых воздухообменов на основе полученных теплотехнических и аэродинамических характеристик ограждающих конструкций храмовых сооружений.

• Провести сравнительный анализ теоретических и экспериментальных исследований и разработать методики инженерных расчетов и практические рекомендации по обеспечению требуемых режимов работы систем кондиционирования микроклимата храмов, с учётом функциональной особенности помещений.

Научная новизна:

Научной новизной являются результаты исследований внешних и внутренних аэродинамических и теплотехнических характеристик, влияющих на параметры микроклимата, в зависимости от наружных климатических условий и численности прихожан в храме.

На защиту выносятся:

• физико-математическая модель восходящего конвективного потока вдоль внутренней поверхности наружного ограждения в православных храмах;

• результаты теоретических и экспериментальных аэродинамических исследований, полученных для четырех храмов Нижнего Новгорода с различной архитектурой (церковь Жен-Мироносиц, Крестовоздвиженский собор, Рождественская церковь, Спасо-Преображенский собор);

• результаты теоретических и экспериментальных исследований по определению температурных и скоростных полей на внутренней поверхности ограждающих конструкций в православных храмах;

• инженерная методика по определению площадей приточных и вытяжных фрамуг;

• основные выводы и рекомендации, полученные в ходе проведенных исследований.

Достоверность результатов работы. Математические модели разработаны на основе существующих классических методов. Представленные в диссертации результаты теоретических исследований подтверждаются результатами экспериментальных исследований автора. Экспериментальные данные получены с использованием апробированных методов и методик измерений, и не противоречат известным результатам.

Практическая значимость результатов работы заключается в разработанной методике для инженерных расчётов требуемого воздухообмена в православных храмах. Предложены к применению математические зависимости, позволяющие рассчитать значения площадей приточных и вытяжных фрамуг с наветренных и заветренных сторон православных храмов различного типа. Полученные в результате исследования аэродинамические коэффициенты могут быть использованы в качестве исходных данных для расчета воздухообмена схожих по стилю и геометрическим характеристикам храмов.

Апробация работы в виде докладов и обсуждений основных положений и результатов исследований проходила в Нижнем Новгороде, Москве и Волгограде на следующих конференциях и семинарах: на международном научно-

промышленном форуме «Великие реки - 2009», «Великие реки - 2011», «Великие реки - 2012» (г. Нижний Новгород, 2009г., 2011г., 2012г.); на 15 и 16 Нижегородской сессии молодых ученых «Технические науки» (г. Нижний Новгород, 2011г., 2012г.); на У-ом фестивале науки (г. Нижний Новгород, 2010г.); на У-ой научной конференции «Качество внутреннего воздуха и окружающей среды» (г. Волгоград, 2010г.); Международный форум строительной индустрии (Москва, 2010г.); на 5-м Международном научно-практическом Симпозиуме «Природные условия строительства и сохранения храмов православной Руси» (Нижний Новгород 2012 г.); на XI Международной научной конференции 2013 г., г.Ханой; в периодическом научном издании «Вестник МГСУ» (г. Москва, 2010г.) в периодическом научном журнале «Приволжский научный журнал» (г. Нижний Новгород, 2011г., 2012г.); в трудах аспирантов ННГАСУ (г. Нижний Новгород, 2009г., 2010г., 2011г.); в периодическом научно-техническом журнале «Известия высших учебных заведений. Строительство» 2013г.; также работа принимала участие в конкурсе «РОСТ» (Нижний Новгород, 2009г.) и конкурсе «У.М.Н.И.К.» (Нижний Новгород, 2011 г.).

Личное участие. Все основные результаты работы получены лично автором. Использованные материалы других исследователей помечены ссылками на литературный источник.

Публикации. По материалам выполненных исследований опубликовано 15 печатных работ, в том числе 4 статьи в журналах по перечню ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, выводов по диссертации, библиографического списка использованной литературы и приложений. Работа имеет общий объём 132 страницы машинописного текста, содержит 10 таблиц, 27 рисунков, библиографический список использованной литературы из 231 наименования и 4 приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации.

В первой главе проводится аналитический обзор отечественного и зарубежного опыта по аэродинамике, вентиляции, отоплению, тепло- и массообмену в зданиях различного назначения. Особое внимание при этом уделено современному состоянию рассматриваемых задач. Приводится анализ нормативной документации по православным храмам.

Существенный вклад в разработку и совершенствование теории и практики аэродинамических исследований, а также теплового и воздушного режимов гражданских и промышленных зданий внесли отечественные и зарубежные ученые: H. Е. Жуковский, Л.И. Седов, Л.Г. Лойцянский, Л.Е. Ландау, Е.М. Лифшиц, Л. Прандтль, О. Титьенс, A.B. Лыков, В.Н. Богословский, Й. Джалурии, Б. Гебхарт, Д.Б. Сполдинг, О. Рейнольде, C.B. Патанкар, Э.Р. Эккерт, P.M. Дрейк, В.И. Полежаев, А.Д. Госмен, Р. Темам, A.A. Абрашкина, Е.И. Якубович, Н.Я. Фабрикант, Р. Пэнкхерст, Д. Холдер, Н.С. Аржаников, Н.Ф. Краснов, Ф.В. Шмитц., А.К. Мартынов, В.Н. Талиев, Э.И. Реттер, С.И. Стриженов, В.В. Батурин, В.М. Эльтерман, И. А. Шепелев.

При изучении архитектуры православных храмов основными источниками служили работы И. Грабаря, Г.В. Барановского, Н.Ф. Филатова. На основании полученных данных о видах и стилях православных храмах в первой главе приводится теоретическое обоснование выбора исследуемых культовых сооружений в диссертации.

Обзор научно-технической литературы показал, что наибольшее внимание при изучении процессов осушения толщи строительной конструкции, тепло- и массообмена на внутренней поверхности наружных ограждений уделено промышленным зданиям и некоторым типам общественных, по ряду характеристик отличающихся от уникальных сооружений.

В нормативной документации не приводятся значения аэродинамических коэффициентов для различных типов храмов, а также методика и примеры расчета по организации требуемого воздухообмена в помещениях сооружений.

По результатам обзора сформулированы цели и задачи исследований.

Во второй главе приведены краткие сведения о тепломассообменных процессах в православных храмах. Также рассматривается физико-математическая модель движения восходящего конвективного потока вдоль внутренней поверхности наружного ограждения в православных храмах.

Как правило, по высоте вертикальной стены молельного зала располагаются несколько ярусов оконных проемов. Перекрытия, отделяющие один ярус от другого, отсутствуют. Между оконными проемами могут находиться фрески или иконы, делающие невозможным размещение отопительных приборов под каждым ярусом окон. Следовательно, на вертикальной стене православных храмов под несколькими ярусами окон может располагаться только один ряд отопительных приборов.

В таком случае математическое моделирование течения жидкости вдоль внутренней поверхности наружной стены православного храма удобнее разделить на несколько составляющих. Отдельно рассмотреть процесс течения над отопительным прибором, вдоль оконного проема и «пустого» участка стены, отделяющего ярусы окон друг от друга. (Значения скоростных и температурных полей над отопительными приборами в православных храмах были определены экспериментально и приводятся в диссертации в приложении А)

За основу первой части модели была взята задача, в которой вертикальная пластина с неизменной температурой 1С, находится в жидкости или газе. Жидкость вдали от пластины остается неподвижной, что говорит об отсутствии вынужденного течения, а температура вдали от пластины постоянна и равна

вертикальной пластины.

В результате решения первой задачи «Теплоотдача при свободном движении на вертикальных стенах православных храмов» были получены следующие результаты:

N«x = f = 0,473= °-473^ Рг>°'25 (О 8 /Ро

Средняя теплоотдача вертикальной пластины при ламинарном течении

Nut =0,63(GrPr)0,25 (2)

Для расчета местных коэффициентов теплоотдачи при свободном ламинарном течении вдоль вертикальных стенок можно использовать формулу:

Нижа = 0,60 (Gr„ Рг^)°'25(Ргж/Ргс)0 25 (3)

В данной формуле определяющей является температура жидкости за пределами движущегося слоя, а определяющий размер отсчитывается от места начала теплообмена. Она получена при условии, что qc = const, а осредняя

коэффициенты теплоотдачи при данных условиях аг/ = формула для их

расчета будет иметь следующий вид:

Тиж, =0,75(Сглг/Рглг)0 25(Ргж/Ргс)°'25 (4)

В данной формуле по-прежнему определяющей температурой является температура жидкости за пределами движущегося слоя, а определяющим размером является длина пластины, отсчитываемая от начала теплообмена.

Формула получена для теплоносителей с числами Прандтля от 0,7 до 3-103 и справедлива для диапазона 103 < Огжл Ргж < 109.

Рассматривая развитое турбулентное течение, возникающее при Схг^Рг,,. >6-Ю10, для местных коэффициентов теплоотдачи будет справедлива следующая формула:

= 0,ЩСг„ РгжУ-»(Ртж/РгсУ'» (5)

Линейный размер входит в числа № и вг

лг _ 0,33

у1

\ ж /

(6)

Откуда следует, что при развитом турбулентном течении коэффициент теплоотдачи не зависит от линейного размера, таким образом, местный коэффициент теплоотдачи равен среднему.

Вторая задача «Теплоотдача при свободном движении вдоль оконных проемов православных храмов» (задача на вдув) была рассмотрена с нескольких сторон.

За основу была взята задача, где пластина обтекается потоком нагретого газа, для охлаждения поверхности которой подается инертный газ с некоторой постоянной скоростью вдува.

и

У Ч

V, У = V, Т= т

б(х)

| <5,(х)

У////Л////А у/Г

Рис. 2. Графическая иллюстрация к выводу формул при обтекании пластины со вдувом в пограничный слой.

По основной методике для расчета локального теплообмена и поверхностного трения при ламинарном режиме нами получены следующие зависимости:

= 1 - 2.08 Р"'и"' іоч^'

-/о

- = 1-1.82^-^

Чи Ло®«,

(7)

Величины р и 11ех вычисляются по определяющей температуре Т*

Т* = Та + 0.5(7; ~Тт) + 0.22(ГгО -Г.) (8)

Для турбулентного режима при вдувах (задача на вдув

неконденсирующихся газов) основываемся на полученных эмпирических

соотношения:

Ыих = 0,028911е/8 Рг04 ехр(-0,366„)

(9) (10)

где Ьн - относительный энтальпийный параметр массообмена; Ь0-относительный динамический параметр массообмена; х - мольная или объёмная концентрация охладителя.

Поскольку задачи на вдув широко распространены в авиационной и ракетной технике, так как часто возникает необходимость защитить стенки конструкции от воздействия высокотемпературного газового потока, в качестве

альтернативных решений были рассмотрены задачи при пористом и пленочном охлаждениях.

В третьей главе представлены экспериментальные исследования, которые состоят из следующих этапов:

• планирование эксперимента

• определение значений аэродинамических коэффициентов у четырех выбранных православных храмов в характерных точках расположения приточных и вытяжных фрамуг;

• определение значений скоростных и температурных полей на внутренней поверхности ограждающих конструкций православного храма;

Эксперименты проведены на основе теории планирования.

Для проведения аэродинамических испытаний были" изготовлены четыре макета православных храмов с учетом критериев подобия и габаритов аэродинамической трубы. Модели изготавливаются из 2-х мм пластика. В места расположения оконных проемов (характерных точках модели) размещаются 5 мм трубки.

Рис. 3. Схема экспериментальной установки: 1 - исследуемая модель объекта; 2 - рабочая область аэродинамической трубы; 3 - осевой вентилятор; 4 - подставка под модель здания; 5 -направляющие ребра.

Измерения для каждой точки производятся для восьми направлений воздушного потока: С, СВ, В, ЮВ, Ю, ЮЗ, 3, СЗ.

По результатам исследований строится аэродинамическая характеристика здания в виде диаграммы распределения давлений ветра на поверхности изучаемого сооружения при различных направлениях ветрового потока.

Рис. 4. Модели храмов на лабораторной установке: а) церковь Жен-Мироносиц б) Крестовоздвиженский собор в) Рождественская церковь г) Спасо-Преображенский собор.

Для измерения статического давления на поверхности модели здания в этих точках используют микроманометр, присоединяющийся к медным трубкам с помощью резиновых полых жгутов, которыми дренирована испытуемая модель здания.

В храме «Вознесения господня» в Нижнем Новгороде были проведены замеры температурных полей внутренних поверхностей наружной стены с помощью инфракрасного термометра 11ау1ек Кауп£ег 8Т20. В начальных точках были измерены температурные и скоростные поля воздуха с помощью термоанемометра ТТМ-2/1-06-2А.

У стены без окон температура воздуха достигала 18,6 °С, скорость принимала значения от 0,05-0,2 м/с. Над отопительным прибором (рядом с окном)

температура воздуха составила 20,1 °С, а скорость воздуха - от 0,14-0,32 м/с. В случае с отдельно стоящим отопительным прибором температура воздуха составила 21,5 °С, а скорость достигла 0,37 м/с. Результаты исследования температурных полей внутренней поверхности представлены в графической форме.

Таблица № 1

Значения аэродинамических коэффициентов для приведенных графиков

♦ Значения аэродинамических коэффициентов в характерных точках

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

1. -0,71 -0,64 -0,53 -0,38 -0,40 -0,40 -0,28 -0,28 -0,25 -0,31 -0,30 -0,20 -0,13

2. +1,00 -0,15 -0,18 -0,18 -0,13 -0,13 -0,15 -0,15 -0,15 -0,13 -0,18 -0,18 -0,15

3. +0,93 + 1,00 +0,95 +0,84 +0,70 +0,56 +0,41 -0,56 -0,23 -0,13 -0,13 -0,13 -0,13

4. +0,95 + 1,00 -0,28 -0,23 -0,15 -0,25 0,23 -0,13 -0,13 -0,13 -0,13 -0,29 -0,29

* Значения аэродинамических коэффициентов в характерных точках

14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26

1. -0,18 -0,15 -0,15 -0,10 -0,13 -0,10 -0,15 -0,13 -0,23 -0,23 -0,23 -0,25 -0,25

2. -0,18 +1,00 +1,00 -0,28 -0,43 -0,20 -0,28 -0,20 -0,41 -0,15 +0,41 - -

3. -0,13 -0,15 -0,13 -0,13 -0,30 -0,33 -0,33 -0,30 -0,20 -0,20 -0,10 -0,13 -0,25

4. -0,26 -0,35 -0,31 -0,95 -1,38 -0,61 +0,67 + 1,00 +0,95 -0,48 -0,58 -0,30 +0,23

* Значения аэродинамических коэффициентов в характерных точках

27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39

1. -0,28 -0,28 -0,38 -0,35 -0,35 -0,38 -0,40 -0,40 -0,40 +0,65 +0,85 +0,98 +0,71

3. -0,15 -0,20 -0,28 -0,15 +0,18 -0,41 -0,23 -0,20 -0,23 +0,38 -0,38 -0,20 -0,56

4. -0,33 -0,51 -0,40 -0,43 +0,67 -0,49 -0,69 -0,25 -0,29 -0,23 -0,43 -0,25 +0,23

* Значения аэродинамических коэффициентов в характерных точках

40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51

3. +0,31 -0,20 -0.13 -0,18 -0,08 - - - - - - -

4. +0,23 +0,23 +0,24 -0,25 -0,66 +0,28 -0,18 -1,02 -0,46 0,56 0,36 -0.13

Примечания к таблице*: 1 - испытания церкви Жен-Мироносиц при западном направлении ветра, 2 - испытания Крестовоздвиженского собора при северо-западном направлении ветра, 3 - испытания Рождественской церкви при северном направлении ветра, 4 - испытания Спасо-Преображенского собора при северо-восточном направлении ветра.

ж ж,

тЯ5> т<<й> тэа)т7<».

Рис. 5. Значения аэродинамических коэффициентов для церкви Жен-Мироносиц: западное направление ветра.

Рис. 6. Значения аэродинамических коэффициентов для Крестовоздвиженского собора: северозападное направление ветра.

Рис. 7. Значения аэродинамических коэффициентов для Рождественской церкви: северное направление ветра.

Рис. 8. Значения аэродинамических коэффициентов для Спасо-Преображенского: собора северо-восточное направление ветра.

-^-зг

__5

-ш

В)

б)

9м 8м

6м 5м 4м Зм 2м 1м

ЦИСТЫЙ пол

9м 9м

8м \_9 __8 8м

7м ( у 7м

1 6м

6м 6

5м _5 5м

4 м _4 4м

Зм 3 Зм

2 м ____г 2м

1м ___1 1м

ЧИСТЫЙ пол иис

9м 8м 7м 6м 5м 4м Зм 2м 1м

иистый пол

Рис. 9. Варианты расположения оконных проемов и приборов на наружной стене: а) отопительный прибор и окно б) только окно в) без окон г) только отопительный прибор.

—♦—радиатор и окно - - пустая стена —¿-—только радиатор —:<■ • только окно

Высота помещения, м

Рис. 10. Зависимость температуры поверхности наружной стены в православном храме от высоты при различных вариантах расположения окон и отопительных приборов.

В четвёртой главе приведена инженерная методика расчёта приточных и вытяжных фрамуг в православных храмах с учетом аэродинамических коэффициентов и прочих факторов, влияющих на величину воздухообмена (количество прихожан, тепловыделения от свечей и лампад и т.д.).

Помимо справочных данных, для расчета систем аэрации каждого православного храма по данной методике должны быть известны следующие величины: объем молельного зала и другие геометрические параметры храма; мощность систем отопления; количество прихожан (минимальное, среднее количество, максимальное); количество свечей (в зависимости от количества прихожан); преобладающее направление и скорость ветра для расчетного периода года; расположение оконных проемов для систем аэрации и возможность выполнения вытяжных фрамуг в окнах барабанов храма.

Условно методику по расчету систем аэрации можно разделить на 2 этапа:

1) Определение выделяющейся теплоты от отопительных приборов, людей, свечей и лампад, т.е. теплоту удаляемую системами аэрации.

2) На основании расчета теплопотерь определить площади приточных и вытяжных фрамуг.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Согласно проведенным исследованиям температура воздуха над отопительным прибором в православных храмах составила 19,6-20,1°С, скорость воздуха 0,15-0,32 м/с в случае когда над отопительным прибором расположен оконный проем. Над отопительным прибором у глухой стены температура воздуха составила 21,5 °С, скорость воздуха - 0,37 м/с.

2. При описании движения восходящего конвективного потока вдоль внутренней поверхности наружного ограждения удобнее делить конструкцию на участки. При большом количестве световых проемов над отопительными приборами стоит чередовать результаты, полученные при решении рассмотренным задач. За исходные данные принимаются значения, полученные над отопительным прибором.

3. Немаловажную роль в акселерации конвективного потока и выделения большого количества теплоты играют тепловыделения от прихожан и горящих свечей.

4. Температура воздуха около свечей достигает 40-50 °С, однако уже на расстоянии 0,5 м над уровнем горения свечи остывает до 18 °С (зимний период), смешиваясь с воздухом внутри помещения. Скорость воздуха составляет 0,15 м/с.

5. В барабане храма температура воздуха различается в зависимости от близости к оконным проемам: в центре составляет 19,8 °С и вблизи закрытых оконных проемов составляет 17,1-17,3 °С. Скорость воздуха варьируется от 0,140,32 м/с.

6. При подсчете теплового баланса для православных храмов следует обязательно учитывать влияние тепловыделений от людей и свечей, поскольку их значение сравнимо, или в некоторых случаях превосходит тепловыделения от систем отопления. Тепловыделения от людей при минимальном заполнении храма составляют 5-10% от мощности системы отопления, 30-50% при 50% заполнении храма, и 70-80% при полном заполнении храма. При горении всех

свечей в храме выделяется количество теплоты, превышающее мощность системы отопления в 1,2-1,9 раз.

7. При расчете систем аэрации следует обратить внимание на наличие световых проемов в барабанах и отсутствие полностью замоноличенного свода между молельным залом и барабанами, поскольку расположенные вытяжные фрамуги в этих световых проемах будут работать наиболее эффективно.

8. В большинстве случаев площади фрамуг, полученные для теплого периода года, превосходят по величине площади фрамуг для переходного и зимнего периодов на 30-40%.

9. Наибольшие отрицательные значения аэродинамических коэффициентов отмечаются у церкви Жен-Мироносиц при восточном направлении ветра в алтарной части (-2,05). Схожие значения аэродинамических коэффициентов (-1,95) отмечаются у алтарной части Рождественской церкви при восточном направлении ветра.

10. Для Церкви Жен-Мироносиц при испытаниях С, Ю, значения аэродинамических коэффициентов с наветренной стороны составляют в среднем 0,8-1,0 с подветренной 0,1-0,2; для Рождественской церкви со стороны заграждения (южная сторона) такие значения будут ниже (для отверстий нижнего яруса) 0,6-0,8 и 0,1-0,15 соответственно.

11. При СЗ, СВ, ЮВ, ЮЗ испытаниях Крестовоздвиженского храма значения аэродинамических коэффициентов в центральном барабане составляют +0,41 с наветренной стороны, во всех остальных точках значения варьируются от (-0,18)-(-0,33).

Условные обозначения

а - коэффициент температуропроводности, м2/с; ср - удельная теплоёмкость при постоянном давлении, кДж/(кг-°С); g - ускорение силы тяжести, м/с2; G-массовый расход, кг/ч; G0 - объёмный расход, м3/ч; L, 1 - длина, путь, характерный размер, м; р - давление, Па; q - удельный тепловой поток, Вт/м2; t -температура °С; Т - абсолютная температура, °К; V, v - объём, скорость, м3 , м/с;

- кинетическая энергия, кДж; х - расстояние по оси х, м; у - расстояние по оси у, м; а - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2-°С); р - термический коэффициент объёмного расширения, 1/ °С; у - удельный вес, Н/м3; 5 - толщина динамического пограничного слоя, м; - разность температур, °С; 0- безразмерная температура, относительный температурный напор; X - коэффициент теплопроводности, Вт/(м-°С); ц - коэффициент динамической вязкости, кг/(с-м); V - коэффициент кинематической вязкости, м2/с; р - плотность, кг/м3; о - площадь сечения, м2; х -время, с, ч; со- коэффициент расхода;

Критерии подобия Сг = §-13-р-Д 1/у2 - число Грасгофа;

№ = а • 1 / X - число Нуссельта;

Рг = V / а - число Прандтля;

СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

(шрифтом выделены публикации в изданиях, рекомендованных ВАК)

1. Соколов, М. М. Особенности проведения эксперимента по исследованию внешней аэродинамики культовых сооружений / М. М. Соколов // Технические науки : сб. тр. аспирантов и магистрантов / Нижегор. гос. архитектур.-строит. ун-т. - Н. Новгород, 2009. — С.180-183.

2. Соколов, М. М. Энергосберегающие системы микроклимата в православных храмах / А. Г. Кочев, Е. Н. Семикова, М. А. Кочева, М. М. Соколов // Великие реки - 2009 : тр. конгр. Междунар. науч.-пром. форума / Нижегор. гос. архитектур.-строит. ун-т. - Н. Новгород, 2009. - С. 589-591.

3. Соколов, М. М. Развитие храмового зодчества в России и его влияние на аэродинамику культовых сооружений / М. М. Соколов // Промышленная безопасность : сб. науч.-произв. Исследование технического состояния строительных конструкций зданий и сооружений в процессе экспертизы

промышленной безопасности опасных производственных объектов / Нижегор. гос. архитектур.-строит, ун-т. — Н. Новгород, 2010. — С. 321-325.

4. Соколов, М. М. Теоретическое обоснование выбора культовых сооружений для исследования их внешней аэродинамики / М. М. Соколов // Технические науки : сб. тр.аспирантов и магистрантов / Нижегор. гос. архитектур.-строит. ун-т. - Н. Новгород, 2010. С. — 225-230

5. Соколов, М. М. Режимы работы систем вентиляции в православных храмах / А. Г. Кочев, А. С. Сергиенко, О. В. Федорова, М. М. Соколов // Качество внутреннего воздуха и окружающей среды : материалы VIII Междунар. науч. конф. - Самарканд ; Волгоград, 2010. - С. 192-195.

6. Соколов, М. М. Актуальность исследований по созданию требуемых условий микроклимата в помещениях православных храмов / М. М. Соколов // Технические науки : тез. докл. XV Нижегородской сессии молодых ученых. - Н. Новгород, 2010. - С. 115-116.

7. Соколов, М. М. Влияние внешних аэродинамических характеристик на создание и поддержание требуемых параметров микроклимата в православных храмах / М. М. Соколов // Вестник МГСУ. — 2011.-№1.-С. 407-412.

8. Соколов, М. М. Теоретические и экспериментальные исследования влияния внешних аэродинамических характеристик на параметры микроклимата в православных Храмах / А. Г. Кочев, М. М. Соколов // Приволжский научный журнал / Нижегор. гос. архитектур.-строит. ун-т. — Н. Новгород, 2011. - №1 (17).- С. 58-65.

9. Соколов, М. М. Влияние критериев подобия на исследование внешней аэродинамики культовых сооружений / М. М. Соколов // Технические науки: сб. тр. аспирантов и магистрантов / Нижегор. гос. архитектур.-строит. ун-т. - Н. Новгород, 2011. - С. 193-197.

10. Соколов, М. М. Аэродинамические испытания православных храмов / М. М. Соколов // Технические науки : докл. XVI Нижегор. сессии молодых ученых. - Н. Новгород, 2011. - С. 445-448.

11. Соколов, М. М. Применение энергосберегающих систем вентиляции в православных храмах / М. М. Соколов // Великие реки - 2011: тр. конгр. Междунар. науч.-пром. форума / Нижегор. гос. архитектур.-строит. ун-т. - Н. Новгород, 2011. - С. 297-300.

12. Соколов, М. М. Физико-математическое описание естественной конвекции в помещениях православных храмов / А. Г. Кочев, М. М. Соколов // Приволжский научный журнал / Нижегор. гос. архитектур.-строит. ун-т. — Н. Новгород, 2012. - № 2 (22). - С. 78-85.

13. Соколов, М. М. Особенности конструктивных решений православных храмов, влияющих на создание и поддержание требуемых параметров микроклимата / М. М. Соколов // Великие реки - 2012 : тр. конгр. Междунар. науч.-пром. форума / Нижегор. гос. архитектур.-строит. ун-т. - Н. Новгород, 2012. - С. 477-480.

14. Соколов, М. М. Исследование внешней и внутренней аэродинамики на естественную вентиляцию в православных храмах / А. Г. Кочев, М. М. Соколов, А. С. Сергиенко // Качество внутреннего воздуха и окружающей среды (Indoor air and environmental quality) : материалы XI Междунар. науч. конф., 23 марта-5 апр. 2013 г., г. Ханой / М-во образования и науки Рос. Федерации, Волгогр. гос архит,-строит. ун-т, Нац. строит, ун-т г. Ханой, Рос. акад. архитектуры и строит, наук (РААСН); сост. А. Н. Гвоздков. - Волгоград, 2013. - С. 200-205.

15. Соколов, М. М. Расчет воздухообменов для осушки конструкций и аэрации в культовых зданиях / А. Г. Кочев, О. В. Федорова, М. М. Соколов // Известия вузов. Сер. «Строительство». - 2013. — № 2-3. - С. 60-67.

Подписано в печать 23.10.13. Формат 60x90 1/16

Бумага газетная. Печать трафаретная. Объём 1 печ. л.

Тираж 100 экз. Заказ № 1562.

Отпечатано ООО «Центр печати».

Адрес типографии: 603000, г. Н. Новгород, ул. Новая, 36.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

(ННГАСУ)

04201450151 На правах рукописи

Соколов Михаил Михайлович

ВЛИЯНИЕ ВНЕШНЕЙ АЭРОДИНАМИКИ НА МИКРОКЛИМАТ

ПРАВОСЛАВНЫХ ХРАМОВ

Специальность 05.23.03 - " Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование

воздуха, газоснабжение и освещение"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель — доктор технических наук профессор А.Г. Кочев

Нижний Новгород - 2013

Содержание

Перечень условных обозначений........................................................................4

Введение.................................................................................................................7

Глава 1. Анализ работ отечественных и зарубежных авторов по созданию и поддержанию требуемых параметров микроклимата в православных храмах......11

1.1. Обзор работ по аэродинамическим исследованиям, теплообмену и теплопередаче в зданиях и сооружениях....................................................................11

1.2. Теоретические и экспериментальные основы аэродинамических исследований..................................................................................................................18

1.3. Анализ нормативной документации по православным храмам..............23

1.4. Теоретическое обоснование выбора исследуемых православных храмов .........................................................................................................................................28

Выводы по первой главе.....................................................................................37

Глава 2. Физико-математическая модель аэродинамических процессов .........................................................................................................................................38

2.1. Общие сведения о конвективном теплообмене........................................38

2.2. Особенности физико-математического моделирования православных храмов.............................................................................................................................39

2.3. Теплоотдача при свободном движении на вертикальных стенах православных храмов....................................................................................................41

2.4. Теплоотдача при свободном движении вдоль оконных проемов православных храмов....................................................................................................49

2.5. Альтернативные решения задач на вдув..................................................55

Выводы по второй главе.....................................................................................60

Глава 3. Экспериментальные исследования аэродинамики православных

храмов.............................................................................................................................62

3.1. Критерии подобия........................................................................................62

3.2. Планирование эксперимента.......................................................................66

3.3. Методика экспериментальных исследований...........................................74

3.4 Расположение характерных точек исследования в моделях православных храмов....................................................................................................79

3.5. Исследование полей температуры и скорости в помещениях православных храмов....................................................................................................87

3.6. Оценка точности измерений.......................................................................90

Выводы по третьей главе....................................................................................91

Глава 4. Инженерная методика расчетов систем аэрации в православных

храмах.............................................................................................................................93

4.2. Определение выделяющейся теплоты, необходимой для удаления системами аэрации........................................................................................................97

4.3. Расчет аэрации с учетом теплопотерь........................................................99

4.4. Расчет площадей приточных и вытяжных фрамуг на примере церкви Жен-Мироносиц..........................................................................................................101

Выводы по четвертой главе..............................................................................107

Заключение........................................................................................................108

Библиографический список.............................................................................110

Приложения.......................................................................................................133

Приложение А. Результаты исследований температурных и скоростных

полей в молельном зале православных храмов........................................................134

Приложение Б. Значения аэродинамических коэффициентов для

исследованных православных храмов.......................................................................149

Приложение В. Диаграммы распределения ветровых нагрузок для

исследованных православных храмов.......................................................................187

Приложение Г. Акты внедрения......................................................................252

Перечень условных обозначений

а - коэффициент температуропроводности, м2/с;

ср - изобарная теплоемкость, кДж/(кг-°С);

су - аэродинамический коэффициент;

g - ускорение свободного падения, м/с2;

Оаэр. ух. - массовый расход, удаляемый аэрацией кг/ч;

Ь - высота объекта, м;

1 - характерный размер, м;

М, ш - масса, кг;

р - давление, Па;

q - удельный тепловой поток, Вт/м ;

- количество теплоты, Вт;

Я - удельная газовая постоянная, кДж/(кг-°С);

X - температура, °С;

Т - абсолютная температура, °К

и - скорость на внешней границе слоя;

V, у - объём, скорость, м3, м/с;

х - расстояние по оси х, м;

у - расстояние по оси у, м;

г - расстояние по оси г, м;

а - коэффициент теплоотдачи,

(3 - коэффициент объемного расширения вещества, 1/ °С;

у - удельный вес, Н/м ;

Д - разность значений, оператор Лапласа;

5 й 0

X И

V

Р

V

Индексы

а

абс в

выт

изб

н

пр

ср

уел

шах

Б

г

X

У

толщина динамического пограничного слоя, м; разность температур, °С; безразмерная температура; коэффициент теплопроводности, Вт/(м- °С); коэффициент динамической вязкости, кг/(с-м); коэффициент кинематической вязкости, м /с; плотность, кг/м3; оператор Набла (Гамильтона)

атмосферное или гидростатическое значение величины;

абсолютное значение величины;

значение величины внутри помещения;

значение величины на вытяжке;

избыточное значение величины;

значение величины снаружи помещения;

значение величины на притоке;

среднее значение величины;

условное значение величины;

максимальное значение величины;

значение величины на поверхности;

тепловой;

значение величины в точке с координатой х значение величины в точке с координатой у

5 - значение величины на границе пограничного слоя;

О - значение величины в исходной точке;

Критерии подобия

g -I3 • /3 • At ~ число Грасгофа;

& =--5-

V2 . р - число Коши;

С а --—

Е

V - число Маха;

Ма =

«з«

а • / - число Нуссельта;

Ш =-

Я

у • / - число Рейнольдса

V

V - число Прандтля;

Яе =

Рг = а

V - Т - число Струхаля

ОП —

/

V2 - число Фруда;

Рг =

Ей =

В-1

Р - число Эйлера;

Р-У2

Введение

Православные храмы - это уникальные сооружения и памятники архитектуры. Каждая деталь храма имеет глубокий смысл и значение. Однако, ввиду разрушительной деятельности Советской власти далеко не все храмы сохранились до наших дней. К примеру, в Нижнем Новгороде после революции 1917 сохранилось около 40 храмов лишь потому, что с них были сняты купола с крестами, а их помещения использовались не по назначению, например, как складские. Это приводило к нарушению микроклимата в помещениях, и, как следствие, порче внутренней отделки, исторических ценностей, а также частичному или полному разрушению самих сооружений.

В настоящее время, когда происходит реконструкция и строительство храмов, требуется уделить особое внимание обеспечению требуемых параметров микроклимата культовых сооружений. Для обеспечения в православных храмах комфортных условий, снижения теплопотерь и повышения продолжительности эксплуатации ограждающих конструкций здания необходимо разрабатывать системы отопления и вентиляции. Однако, в силу эстетических, технических и экономических причин устройство приточно-вытяжной механической вентиляции в помещениях православных храмов не всегда представляется возможным. Обеспечение требуемого воздухообмена в помещениях можно добиться с помощью аэрации. Она требует самых минимальных эксплуатационных затрат и является относительно недорогой при монтаже. Для грамотного расчета аэрации православных храмов необходимо знание внешних аэродинамических характеристик церквей, что будет учитываться при расчете ветровых нагрузок на сооружение.

Целью исследований является разработка теоретических основ и практических рекомендаций по созданию и поддержанию микроклиматических условий в исследуемых православных храмах, зависящих от внутренних и наружных климатических воздействий.

Для достижения поставленной цели следует решить следующие основные задачи:

• Изучить архитектурные особенности православных храмов, функциональные особенности помещений, а также провести обзор научной литературы, где приводятся результаты исследований теплотехнических и аэродинамических характеристик для различных типов сооружений.

• На основе теоретических исследований определить основные теплотехнические и аэродинамические характеристики, определяющие микроклиматические условия для различных видов храмов и их элементов.

• Исследовать наружные аэродинамические характеристики храмов и элементов для обеспечения: требуемых параметров микроклимата вызывающих минимальные температурные деформационные напряжения конструкций, сохранности фресок, станковой живописи, художественной росписи и предметов культовых обрядов.

• Провести экспериментальные исследования для определения требуемых воздухообменов на основе полученных теплотехнических и аэродинамических характеристик ограждающих конструкций храмовых сооружений.

• Провести сравнительный анализ теоретических и экспериментальных исследований и разработать методики инженерных расчетов и практические рекомендации по обеспечению требуемых режимов работы систем кондиционирования микроклимата храмов, с учётом функциональной особенности помещений.

Предметом исследования являются факторы, обеспечивающие рекомендуемые параметры микроклимата в православных храмах.

Объектом исследования являются культовые сооружения, и воздействие ветровых нагрузок на параметры микроклимата.

Научной новизной являются результаты исследований внешних и внутренних аэродинамических и теплотехнических характеристик, влияющих на параметры микроклимата, в зависимости от наружных климатических условий и численности прихожан в храме.

Практическая значимость результатов работы заключается в разработанной методике для инженерных расчётов требуемого воздухообмена в православных храмах. Предложены к применению математические зависимости, позволяющие рассчитать значения площадей приточных и вытяжных фрамуг с наветренных и заветренных сторон православных храмов различного типа. Полученные в результате исследования аэродинамические коэффициенты могут быть использованы в качестве исходных данных для расчета воздухообмена схожих по стилю и геометрическим характеристикам храмов.

Апробация работы в виде докладов и обсуждений основных положений и результатов исследований проходила в Нижнем Новгороде, Москве и Волгограде на следующих конференциях и семинарах: на международном научно-промышленном форуме «Великие реки - 2009», «Великие реки - 2011», «Великие реки - 2012» (г. Нижний Новгород, 2009г., 2011г., 2012г.); на 15 и 16 Нижегородской сессии молодых ученых «Технические науки» (г. Нижний Новгород, 2011г., 2012г.); на У-ом фестивале науки (г. Нижний Новгород, 2010г.); на У-ой научной конференции «Качество внутреннего воздуха и окружающей среды» (г. Волгоград, 2010г.); Международный форум строительной индустрии (Москва, 2010г.); на 5-м Международном научно-практическом Симпозиуме «Природные условия строительства и сохранения храмов православной Руси» (Нижний Новгород 2012 г.); на XI Международной научной конференции 2013 г., г.Ханой; в периодическом научном издании «Вестник МГСУ» (г. Москва, 2010г.) в периодическом научном журнале «Приволжский научный журнал» (г. Нижний Новгород, 2011г., 2012г.); в трудах аспирантов ННГАСУ (г. Нижний Новгород, 2009г., 2010г., 2011г.); в периодическом научно-техническом журнале «Известия высших учебных заведений. Строительство» 2013г.; также работа принимала участие в конкурсе «РОСТ» (Нижний Новгород, 2009г.) и конкурсе «У.М.Н.И.К.» (Нижний Новгород, 2011г.).

На защиту выносятся: • физико-математическая модель восходящего конвективного потока вдоль внутренней поверхности наружного ограждения в православных храмах;

• результаты теоретических и экспериментальных аэродинамических исследований, полученных для четырех храмов Нижнего Новгорода с различной архитектурой (церковь Жен-Мироносиц, Крестовоздвиженский собор, Рождественская церковь, Спасо-Преображенский собор);

• результаты теоретических и экспериментальных исследований по определению температурных и скоростных полей на внутренней поверхности ограждающих конструкций в православных храмах;

• инженерная методика по определению площадей приточных и вытяжных фрамуг;

• основные выводы и рекомендации, полученные в ходе проведенных исследований.

Достоверность результатов работы. Математические модели разработаны на основе существующих классических методов. Представленные в диссертации результаты теоретических исследований подтверждаются результатами экспериментальных исследований автора. Экспериментальные данные получены с использованием апробированных методов и методик измерений, и не противоречат известным результатам.

Диссертация выполнена на основании теоретических и экспериментальных

исследований, проведенных автором в Нижегородском государственном архитек-

/

турно-строительном университете, а также в храмах Приволжского федерального округа.

Автор выражает глубокую благодарность профессору А.Г. Кочеву и доценту Г.М. Казакову за помощь в написании данной рукописи.

Глава 1. Анализ работ отечественных и зарубежных авторов по

созданию и поддержанию требуемых параметров микроклимата в

православных храмах 1.1. Обзор работ по аэродинамическим исследованиям, теплообмену и теплопередаче в зданиях и сооружениях

В своей монографии «Экспериментальная аэродинамика» [124] Мартынов А.К. характеризует аэродинамику как часть гидромеханики или механики нетвердых тел. Он также подразделяет аэродинамику на:

- теоретическую, которая является в основном прикладной математикой и механикой;

- экспериментальную, занимающуюся рассмотрением самого явления и обобщающую результаты опытов;

- аэродинамику самолета, в которой рассматриваются полет различных летательных аппаратов и разрабатываются методы их аэродинамического расчета;

- промышленную аэродинамику, в которой рассматриваются вопросы применения аэродинамики в народном хозяйстве (частным случаем может служить аэродинамика зданий и сооружений)

Гидромеханика является разделом более общей науки - механики сплошных сред, и подразделяется на гидростатику и гидродинамику.

Основоположником современной аэро- и гидромеханики можно по праву считать выдающегося русского ученого Жуковского Николая Егоровича, которому принадлежит знаменитое высказывание, - «человек полетит, опираясь не на силу своих мускулов, а на силу своего разума». Под его руководством была создана одна из первых в мире аэродинамических труб в 1902, основан первый в Европе аэродинамический институт (современный ЦАГИ) в 1904, организована аэродинамическая лаборатория в Московском техническом училище в 1910 [224].

Гидро- и газодинамика обязаны своим появлением работам выдающегося ученого и педагога Леонида Ивановича Седова. Итог его многолетней научной и

преподавательской деятельности был воплощен в двухтомнике «Механика сплошных сред» [158,159]. Знакомство с этими трудами необходимо для глубокого понимания более поздних работ в изучаемой области. Труды Лойцянского Л.Г. [114,115], в отличие от работ Седова Л.И., усложнены математическими зависимостями для нахождения различных параметров, необходимых для инженерных расчетов. Это существенно ограничивает возможность использования этих работ специалистами. Однако работы Лойцянского Л.Г., являются источниками информации об основных закономерностях в движении жидкостей и газов. Эти закономерности становятся более доступными для понимания, при их совместном изучении с VI томом «Гидродинамика» 10 томного издания «Теоретическая физика» Л.Е. Ландау и Е.М. Лифшица [111]. Эти работы дополняют друг друга.

Гидромеханика, как наука, в отличие от механики твердого тела исследует среду с очень слабыми связями между молекулами, что позволяет молекулам жидкостей и в особенности газов перемещаться в любом направлении, что вызывает беспорядочное молекулярное движение. Для того, чтобы избежать этого существенного усложнения при освоении материала Жан Лерон Д'Аламбер и Леонард Эйлер предложили отказаться от рассмотрения молекулярного строения вещества, а изучать жидкости и газы, не принимая во внимание отдельные молекулы и пустоты между ними, считая эти среды сплошными, непрерывно заполняющими пространство. Благодаря этому допущению все механические характеристики жид�