Особенности внешней аэродинамики

При разработке рекомендаций по нормализации микроклимата церковных зданий, помимо учета их внутренней объемно-пространственной структуры, необходимо иметь в виду и специфические особенности их внешней аэродинамики. Это позволяет более рационально организовать внутренний воздухообмен, что в конечном счете приводит к ликвидации зон застойного воздуха и созданию оптимальных условий для сохранения настенных росписей и иконостаса по всей высоте здания.

Естественный воздухообмен происходит вследствие того, что в одних отверстиях давление внутри здания оказывается меньше, чем наружное (атмосферное), а в других, наоборот, внутреннее давление оказывается больше наружного. Через первые отверстия осуществляется приток наружного воздуха в помещение, а через вторые — удаление (вытяжка) из него.

Разность давлений (напор) может возникнуть под действием гравитационных сил (разности веса столбов наружного и внутреннего воздуха), ветра или под их совместным влиянием. При прямом воздействии ветрового потока на ограждающих конструкциях здания возникает избыточное давление (по сравнению с атмосферным давлением вдали от здания), а на поверхностях заветренной стороны и находящихся в зоне аэродинамической тени — давление меньше атмосферного (разряжение).

Церковные здания представляют собой сооружения сложной геометрической формы, образованные криволинейными поверхностями. В плане здания барабаны подобны форме цилиндра, а кровля состоит из ряда полусфер или конусов. Спектры давлений для элементарных геометрических тел при обдувании их ветром в достаточной степени изучены. Однако при сопряжении тел различной формы спектры давлений, полученные для свободно стоящих тел, значительно меняются.

Чтобы определить степень давления ветра на здание, сооружают модели, геометрически подобные зданиям в натуре, и продувают их на аэродинамических стендах. В результате продувов получают аэродинамические коэффициент — отношение давления в данной точке к скоростному давлению ветра.

Для изучения специфики внешней аэродинамики церковных зданий впервые в исследованиях памятников культуры был использован метод моделирования с целью аэродинамической оценки профиля церковного здания. Это позволило выявить возможности создания оптимального естественного воздухообмена внутри сложной объемно-пространственной композиции, каковой является любое церковное здание.

Нами были проведены аэродинамические испытания модели четырехстолпного крестово-купольного пятиглавого храма на аэродинамическом стенде в виде ветровой установки. Объектом испытания послужила глухая деревянная модель храма, выполненная в масштабе 1:100. На ее поверхностях, в местах расположения аэродинамических проемов (окна, двери), были высверлены лунки диаметром 4 мм и глубиной 5 мм для измерения ветровых давлений. Выбор масштаба и постановка эксперимента проводились на основании теории моделирования. Описание экспериментальной установки, объекта и методики исследования содержится в совместном отчете за 1985 г. специалистов ГосНИИР и Киевского инженерно-строительного института [1]. Позднее были проведены аналогичные испытания моделей одноглавых Дмитриевского собора во Владимире (XII в.) и Спасо-Преображенского собора Мирожского монастыря в Пскове (XII в.). Результаты испытаний использовались при разработке рекомендаций по нормализации воздухообмена и организации систем климатизации этих памятников.

Испытываемая модель устанавливалась в выходном сечении ветровой установки, продувка модели производилась при направлении ветра к оси здания под углами 0°, +90°, +45°, -45°, -90° (рис. 12). Полученные аэродинамические коэффициенты показали, что для здания симметричной формы достаточно провести измерения при двух характерных углах атаки ветра — +90° и +45°. Результаты измерения при углах атаки 0° и -90° оказались подобны первому коэффициенту (при +90°), а при угле -45° — второму (при +45°).

Рис. 12. План с нанесением углов атаки ветра и номера из. точек

При угле атаки ветра +90° на лобовой поверхности стен здания определяются положительные аэродинамические коэффициенты, а на остальных поверхностях — отрицательные (рис. 13). Однако отрицательные коэффициенты получены и при измерениях в окнах 2 и 3 ярусов, расположенных на лобовой поверхности стен (рис. 12, точки 1, 2, 5, 12, 13). Это явление связано с аэродинамическими законами обтекания отдельно стоящих зданий. Так, при набегании на здание потока ветра у наружных ограждений наветренной стороны, находящихся под положительным давлением, образуются восходящие потоки воздуха (за исключением нижней циркуляционной зоны). Поэтому углубленное расположение окон в нишах приводит к тому, что восходящий поток воздуха на определенной высоте отсекает набегающий на окна поток ветра и подсасывает воздух из ниш, создавая в их плоскости разряжение.

Рис 13 Величины аэродинамических коэффициентов на поверхности здания Угол атаки ветра +90°

На цилиндрических поверхностях барабанов при угле атаки ветра +90° положительные давления наблюдались лишь в окнах, расположенных на нормалях к их лобовым поверхностям (рис. 13, точки 47, 50, 57, 60, 62). Во всех остальных точках цилиндрических барабанов — давление отрицательное.

В центральном барабане I в точках 69 и 63 (рис. 13) значение аэродинамических коэффициентов приближалось к нулю, так как эти точки находятся в зоне тени от барабанов II и V.

При угле атаки ветра +45° на лобовой поверхности стен здания к направлению ветра положительные давления выявлены лишь в восьми точках 4/11 (рис. 12 и 14), в остальных точках давления отрицательные.

В малых барабанах II, III, V положительные давления определены в окнах, расположенных под углом 45° к углу атаки ветра, точки 47, 48, 50, 51, 60, 61 (рис. 14), что объясняется законом обтекания цилиндрических поверхностей.

Рис. 14. Величины аэродинамических коэффициентов на поверхности здания. Угол атаки ветра +45°

В центральном барабане и в малом барабане IV во всех точках — давления отрицательные или приближающиеся к нулю, так как центральный барабан находится в зоне аэродинамической тени барабана II, а малый барабан IV — в аэродинамической тени центрального барабана.

Обобщая результаты проведенных исследований, можно сделать следующие выводы.

1) Здания-памятники представляют собой сооружения сложной геометрической формы, близкой к цилиндрической, поэтому они обладают выгодными аэродинамическими характеристиками.

2) При набегании на здание потока ветра восходящие вдоль стен наветренной стороны воздушные потоки на определённой высоте создают разряжение в плоскости окон, упрятанных в ниши, что исключает проникновение в помещение инфильтрационного воздуха через эти проемы.

3) В пятикупольных храмах благодаря симметричному расположению цилиндрических барабанов происходит взаимное наложение потоков воздуха за барабанами (аэродинамическая тень), что вызывает отрицательное давление в их окнах.

Установлено, что в оконных проемах центрального барабана I (точки 63, 65, 67, 69) и малых барабанов (барабан II, точка 46; барабан III, точка 53; барабан IV, точка 54; барабан V точка 61) аэродинамические коэффициенты при любых направлениях ветра всегда отрицательные. Иными словами, можно утверждать, что в пятиглавых храмах в окнах центрального барабана, обращенных к малым, и в окнах малых барабанов, обращенных к центральному, всегда существует отрицательное давление. Следовательно, при любом направлении ветра эти окна можно использовать как незадуваемые вытяжные проемы, в которые целесообразно размещать аэрационные устройства.

4) Зная господствующее направление ветра в данной местности, в оконных проемах с преобладающим положительным давлением можно устанавливать приспособления для притока воздуха.

5) Количество оконных проемов, работающих на зксфильтрацию, в 2 раза больше количества проемов, которые могут работать на инфильтрацию при угле атаки ветра +90°, и в 2,5 раза больше — при угле атаки ветра +45°.

Таким образом, при наличии ветра и отсутствии тепловыделений в помещении количество инфильтрационнего воздуха может быть сведено к минимуму, а механическая приточная вентиляция может обеспечить подпор воздуха в помещении, исключающий поступление инфильтрационного воздуха через притворы окон наветренной стороны в холодный период года.

В одноглавых храмах характер распределения аэродинамических коэффициентов в оконных и дверных проемах основного объема здания аналогичен описанному выше. Основное отличие аэродинамических характеристик этих зданий от пятиглавых состоит в распределении давлений в оконных проемах светового барабана. Если в центральных барабанах пятиглавых храмов существуют оконные проемы, которые при любом направлении ветра всегда работают на вытяжку, поскольку они находятся в аэродинамической тени (окна С-3, С-В, Ю-3, Ю-В ориентации), то в одноглавых постройках такое явление отсутствует. В барабанах одноглавых церковных зданий положительные давления всегда возникают в окне со стороны лобового направления ветра, остальные оконные проемы барабана работают на вытяжку. Поэтому при выборе оконных проемов для установки вытяжных аэрационных устройств необходимо учитывать местную розу ветров и монтировать их в проемах той ориентации, которые соответствуют наименьшей повторяемости направления ветра.