Сайт научно-технического журнала «Инженерные системы. АВОК Северо-Запад»

Альтернативный подход к выбору расчетной зимней температуры наружного воздуха при организации шиберующей защиты проемов завесами

Ю. Н. Марр, советник генерального директора АО «НПО «Тепломаш»

Тепловой расчет здания, в том числе подбор воздушно-тепловых завес, выполняется на расчетную зимнюю температуру по параметрам Б СП 131.13330.2012 «СНиП 23-01-99* Строительная климатология». Эта температура, как известно, с вероятностью 92% является средней температурой наиболее холодной пятидневки. И, хотя минимальная зимняя температура может оказаться заметно ниже расчетной, однако редкость ее появления и относительная кратковременность обусловили приоритет температуры наиболее холодной пятидневки. В этом есть определенная логика: при пятидневном стоянии низкой температуры климат помещения обеспечивается теплоизоляцией ограждения и расчетной тепловой мощностью отопления, в то время как кратковременные температурные возмущения, приводящие к увеличению теплопотерь через ограждения, практически не сказываются на внутреннем климате за счет теплоустойчивости здания.

Если последовательно применять ту же логику к защите проемов, то в значительной части случаев оказывается, что открывание даже слабо защищенного проема можно рассматривать как кратковременные возмущения устойчивого теплового режима с последующей релаксацией. Вместе с тем предписываемая проектом расчетная тепловая мощность защиты ворот завесами бывает сопоставима, а часто и превышает тепловую мощность отопления помещения. Большая тепловая мощность требует адекватной аэродинамической мощности завес. А этим формируется стоимость оборудования и эксплуатационные затраты.

Возникает законный вопрос, нельзя ли ориентировать организацию защиты не на холодную пятидневку, а на значительно более часто повторяющуюся в течение отопительного периода более высокую температуру. При этом недостаточную мощность завес для защиты при более низкой температуре можно было бы компенсировать простым локальным повышением внутреннего давления воздуха около проема.

Показано, что такой подход не только возможен, но во многом оправдан, поскольку это позволит снизить в разумных пределах капитальные и эксплуатационные затраты на защиту проемов, а также частично снять проблему регулирования режима защиты при повышении наружной температуры против расчетной зимней.

В [1] рассмотрена защита проема удаленным импульсным источником, осесимметричная струя которого направлена в центральную область проема под некоторым углом к его плоскости. Площадь поперечного сечения струи перед проемом несколько превышает площадь проема. Для полной защиты давление струи, создаваемое в пределах пятна взаимодействия, принято равным разности давлений в проеме. Можно, однако, лишь частично уменьшить разность давлений в проеме, добавив компенсационное струйное противодействие к действию завесы. В этом случае расчетная зимняя температура (и расчетная разность плотностей воздуха) может быть уменьшена в сравнении со случаем ее выбора по СП 60.13330.2012. Соответственно аэродинамическая и тепловая мощность завесы также будут меньше стандартной проектной величины.

Иллюстрируем сказанное примером защиты типовых ворот 4х4 м для двух различающихся климатических зон: Санкт-Петербурга и Богучан Красноярского края. Внутреннюю температуру примем t_в = +18 °С. Ветровую добавку будем считать условно одинаковой 1,8 Па. Для расчета стандартного варианта защиты, в соответствии с СП 131.13330.2012, используем температуру наиболее холодной пятидневки с обеспеченностью 0,92. В качестве альтернативного варианта (исключительно для данной иллюстрации) примем расчетную зимнюю температуру равной температуре воздуха с обеспеченностью 0,94 по тому же СП 131.13330.2012. Согласно его приложению Б, температура воздуха обеспеченностью 0,94 соответствует температуре воздуха наиболее холодного периода. Необеспеченность температуры воздуха, превышающая расчетное значение, равна 528 ч/год.

Рассмотрим в обоих случаях защиту верхней завесой по [2]. Температура воды принята 95/70 °С для Санкт-Петербурга и 105/70 °С для Богучан. Параметры воздействия удаленного вентилятора на ворота рассчитаны по выражениям [1]. Первоначально сделаем оценки без учета взаимовлияния защитной струйной структуры и компенсационной струи удаленного источника. Результаты оценок сведены в табл. 1 и 2.

Табл. 1 иллюстрирует усиленную защиту, о чем свидетельствует заметное превосходство показателя защиты q над показателем предельного режима q* (при котором вся струя вместе с эжектированными снаружи холодными массами затекала бы в проем). Это обеспечивает высокие температуры смеси даже для альтернативного варианта в условиях работы при температуре наиболее холодной пятидневки. В табл. 2 представлен ослабленный вариант, когда показатели защиты близки или даже равны показателям предельного режима. В последних строчках табл. 1 и 2 приведена температура смеси альтернативной завесы, рассчитанной на уменьшенную разность давлений, но при стандартной температуре холодной пятидневки (с обеспеченностью 0,92). Параметры компенсационной струи и соответствующего вентилятора приведены в табл. 3.

Таблица 1. Параметры защиты ворот 4 х 4 м (усиленная защита)

Таблица 2. Параметры защиты ворот 4 х 4 м (ослабленная защита)

Таблица 3. Параметры компенсационной струи

Как видно, давление компенсационной струи в пятне взаимодействия удовлетворяет требуемой величине уменьшения разности давлений в проеме в альтернативном варианте выбора расчетной зимней температуры. При оснащении ворот завесами по альтернативному варианту вентилятор должен быть включен после понижения наружной температуры против принятой альтернативной. Понятно, что альтернативный вариант позволяет оснащать проем менее мощными завесами предыдущей серии в сравнении со стандартной организацией защиты (серия 400 или 500 вместо 700 и серия 500 или 700 вместо 800). Одновременно сокращается и тепловая мощность завесы.

Дадим оценку воздействия компенсационной струи на защитную структуру в проеме. Характер течения в зоне разворота при набегании струи на твердую поверхность экспериментально и теоретически исследован в [4]. Изложение результатов, относящихся к нашему случаю, выполнено по [5].

Прежде всего показано, что вплоть до зоны разворота параметры течения в струе подчиняются обычным закономерностям. Поперечные размеры зоны разворота порядка диаметра свободной струи перед соприкосновением ее с плоской поверхностью. Течение в зоне разворота является сложным пространственным течением со значительным изменением давления и большой кривизной линий тока. За пределами зоны разворота статическое давление близко к атмосферному. На рис. 1 представлена схема струи, натекающей на плоскую поверхность. Область течения жидкости, стелющейся по поверхности за пределами зоны разворота, характеризуется постоянным давлением, близким к атмосферному. Движение в этой зоне носит радиальный характер в такой форме, как если бы жидкость распространялась из цилиндрического кругового источника, центр которого смещен относительно точки пересечения оси струи с поверхностью. В [5] приведены зависимости быстрого затухания максимальной скорости такого течения с удалением от зоны разворота. К сожалению, в самой зоне разворота приходится ограничиться единственной оценкой соотношения максимальных скоростей на выходе из зоны в стелющееся течение и на переходе в зону из струи. Это отношение составляет u_m*/W_m = 0,774 в случае прямого удара струи и не зависит от гидравлической длины струи.

Если принять сохранение модуля потока импульса вплоть до выхода из зоны разворота, то легко доказывается, что среднемассовые скорости струи перед зоной разворота и на выходе из зоны равны, верхняя граница зоны над плоскостью имеет координату

z*/d_o = 0,084(L/d_o), (1)

а скорость на выходе из зоны равна

v*/v_o = 2,93/( L/d_o). (2)

Важно понимать, что все эти результаты получены при взаимодействии струи с твердой неподвижной поверхностью.

Опираясь на эту ограниченную информацию, попытаемся оценить возможные деформации, причиняемые зоной разворота пятну взаимодействия защитных струй завесы с наружной атмосферой. Основные данные по альтернативному варианту защиты сведены в табл. 4.

Таблица 4. Параметры взаимодействия струи с завесой в альтернативном варианте защиты

Качественная оценка взаимодействия двух структур имеет следующий вид:

— площадь поперечного сечения компенсационной струи перед проемом (по среднемассовой скорости) больше площади проема, зона разворота полностью покрывает пятно взаимодействия в проеме;

— среднемассовая скорость струи перед разворотом в два раза меньше скорости струй завесы перед их разворотом;

— набегание струи на защитную структуру по всей ее поверхности создает неравноценные локальные деформации структуры;

— в верхней половине проема, где скорости защитной структуры выше, а в набегающей струе ниже, взаимные деформации будут минимальные, струя завесы внутренней стороной будет контактировать с относительно медленно уходящими в противоположную сторону (вверх) массами разворота и может по-прежнему рассматриваться как свободная затопленная;

— в нижней части проема затекающая внутрь струя завесы направлена навстречу потоку, сформировавшемуся из компенсационной струи, во-первых, из разворота в свободные боковые пространства у проема и, во-вторых, из растекающихся вдоль пола в разные стороны масс разворота, для которых пол оказался непроницаемым препятствием; натекающий на этот трехмерный «язык» поток компенсационной струи отрывается от пола, уходит в бока и вверх, образуя трехмерную циркуляционную зону;

— в средней части проема на струю завесы воздействует область максимальной скорости компенсационной струи, это затягивает разворот струи завесы в проем;

— в целом воздействие компенсационной струи сводится к эффекту увеличения угла выхода струи к плоскости проема, т. е. к усилению эффекта защиты.

Таким образом, рациональный подбор параметров формирования компенсационной струи не должен привести к разрушению защитной структуры верхней завесы. Сделанный вывод не распространяется на проемы, защищенные односторонней или двусторонней боковой завесой. Развитие автоколебаний при взаимодействии «хвоста» одиночной струи со створом проема и при взаимодействии встречных струй двусторонней завесы допускает возможность неполного перекрытия проема струями завес под действием компенсационной струи. Кроме того, растекание наружу от центра проема струй разворота в средней его части будет препятствовать движению к центру струй двусторонней завесы.

Предлагаемая организация защиты позволяет не только экономить капитальные и эксплуатационные затраты, но и создает дополнительные возможности регулирования в сравнении с [6] режимов защиты при повышении наружной температуры против расчетной зимней. В табл. 5 дана примерная раскладка режимов для регулирования завесой в Богучанах. Реальный подбор рабочих состояний может быть выполнен только по месту эксплуатации для конкретных условий. Кроме того, компенсационными струями можно ослаблять непредусмотренные проектом ветровые воздействия, гасить эффекты аэродинамической трубы в длинных помещениях с расположенными на противоположных торцах проемами, а также компенсировать преобладание вентиляционной вытяжки над притоком

Таблица 5. Режимы работы завесы в Богучанах при повышении наружной температуры

Таким образом, переход на более высокую расчетную температуру наружного воздуха в холодный период (в противоположность СП 131.13330.2012) при организации шиберующей защиты проемов верхними завесами имеет все основания для реализации. Требуется лишь принятие решения о величине и сути характерной температуры сообществом специалистов по вентиляции и отоплению.

Литература

1. Марр Ю. Н. Защита проемов удаленными от створа импульсными струйными источниками // Инженерные системы. АВОК-Северо-Запад. № 1, 2019 — стр. 6.

2. Марр Ю. Н. Воздушно-тепловые завесы. Расчет и проектирование завес для защиты проемов промышленных и общественных зданий. СПб.: АО «НПО «Тепломаш». 2017 — 160 с.

3. Воздушно-тепловые завесы, фанкойлы, тепловентиляторы. Каталог оборудования. АО «НПО «Тепломаш» 2018–2019.

4. Крашенинников С. Ю., Яковлевский О. В. Распространение турбулентной струи, соударяющейся с плоской поверхностью // Известия АН СССР. Механика жидкости и газа.1966. № 4. С. 192–197.

5. Теория турбулентных струй / Под ред. Г. Н. Абрамовича. 2-е изд. переработ. и доп. М.: Наука. 1984.

6. Марр Ю. Н. Проблемы регулирования шиберующих завес // Инженерные системы. АВОК-Северо-Запад. № 2, 2018.

Скачать статью в pdf-формате: Альтернативный подход к выбору расчетной зимней температуры наружного воздуха при организации шиберующей защиты проемов завесами