6814

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.

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.

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,