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 V-ом фестивале науки (г. Нижний Новгород, 2010г.); на V-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.).
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: Н. Е. Жуковский, Л.И. Седов, Л.Г. Лойцянский, Л.Е. Ландау, Е.М. Лифшиц, Л. Прандтль, О. Титьенс, А.В. Лыков, В.Н. Богословский, Й. Джалурии, Б. Гебхарт, Д.Б. Сполдинг, О. Рейнольдс, С.В. Патанкар, Э.Р. Эккерт, Р.М. Дрейк, В.И. Полежаев, А.Д. Госмен, Р. Темам, А.А. 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 A)
За основу первой части модели была взята задача, в которой вертикальная пластина с неизменной температурой tс, 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 t0.
В результате решения первой задачи «Теплоотдача при свободном движении на вертикальных стенах православных храмов» были получены следующие результаты:
Нужна помощь в написании автореферата?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.
(1)
Средняя теплоотдача вертикальной пластины при ламинарном течении
(2)
Для расчета местных коэффициентов теплоотдачи при свободном ламинарном течении вдоль вертикальных стенок можно использовать формулу:
(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 , а осредняя коэффициенты теплоотдачи при данных условиях формула для их расчета будет иметь следующий вид:
(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 .
Рассматривая развитое турбулентное течение, возникающее при , для местных коэффициентов теплоотдачи будет справедлива следующая формула:
(5)
Линейный размер входит в числа Nu и Gr
и
(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.
По основной методике для расчета локального теплообмена и поверхностного трения при ламинарном режиме нами получены следующие зависимости:
(7)
Величины и вычисляются по определяющей температуре T*
(8)
Для турбулентного режима при вдувах (задача на вдув неконденсирующихся газов) основываемся на полученных эмпирических соотношения:
Нужна помощь в написании автореферата?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.
(9)
(10)
где — относительный энтальпийный параметр массообмена; — относительный динамический параметр массообмена; — 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.
Измерения для каждой точки производятся для восьми направлений воздушного потока: С, СВ, В, ЮВ, Ю, ЮЗ, З, СЗ.
По результатам исследований строится аэродинамическая характеристика здания в виде диаграммы распределения давлений ветра на поверхности изучаемого сооружения при различных направлениях ветрового потока.
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 Raytek Raynger ST20. 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 ºC, скорость принимала значения от 0,05-0,2 м/с. Над отопительным прибором (рядом с окном) температура воздуха составила 20,1 ºC, а скорость воздуха – от 0,14-0,32 м/с. В случае с отдельно стоящим отопительным прибором температура воздуха составила 21,5 ºC, 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
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.
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:
- Определение выделяющейся теплоты от отопительных приборов, людей, свечей и лампад, т.е. теплоту удаляемую системами аэрации.
- 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 19,6-20,1ºС, 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 ºС, скорость воздуха – 0,37 м/с.
Нужна помощь в написании автореферата?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.
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 ºС, однако уже на расстоянии 0,5 м над уровнем горения свечи остывает до 18 ºС (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 ºС и вблизи закрытых оконных проемов составляет 17,1-17,3 ºС. Скорость воздуха варьируется от 0,14-0,32 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
a — коэффициент температуропроводности, м2/с; сp — удельная теплоёмкость при постоянном давлении, кДж/(кг×оС); g — ускорение силы тяжести, м/с2; G-массовый расход, кг/ч; Gо — объёмный расход, м3/ч; L, l — длина, путь, характерный размер, м; p — давление, Па; q — удельный тепловой поток, Вт/м2; t — температура оС; T — абсолютная температура, оК; V, v — объём, скорость, м3 , м/с; W — кинетическая энергия, кДж; x — расстояние по оси x, м; y — расстояние по оси y, м; a — коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2×оС); b — термический коэффициент объёмного расширения, 1/ оС; g — удельный вес, Н/м3; d — толщина динамического пограничного слоя, м; q — разность температур, оС; Q- безразмерная температура, относительный температурный напор; l — коэффициент теплопроводности, Вт/(м× оС); m — коэффициент динамической вязкости, кг/(с×м); n — коэффициент кинематической вязкости, м2/с; r — плотность, кг/м3; s — площадь сечения, м2; t — время, с, ч; w- коэффициент расхода;
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. – C. 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. – C. 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.