ВЫТЯЖНАЯ ШАХТА ПОНИЖЕННОЙ ЭНЕРГОЕМКОСТИ ДЛЯ ТЕПЛОГО ЧЕРДАКА

Полезная модель относится к строительству и может использоваться как вытяжная шахта в многоэтажных зданиях с теплым чердаком и утепленной кровлей, обеспечивающая пониженное аэродинамическое сопротивление.
Теплые чердаки многоэтажных домов к настоящему времени успели получить достаточно широкое распространение благодаря известным преимуществам по сравнению с холодными, основные из которых – конструктивное (повышение надежности кровли здания) и аэродинамическое (повышение надежности естественной вытяжки). При использовании крыши с теплым чердаком конструктивное преимущество реализуется вследствие замены одной вентиляционной шахтой множества проходов через кровлю, а аэродинамическое – благодаря повышению устойчивости естественной вытяжки воздуха из помещений вследствие замены одной вентиляционной шахтой большого сечения множества вентиляционных выходов малых размеров, суммарно создающих значительно более высокое аэродинамическое сопротивление. Однако в современных условиях эксплуатации многоэтажных зданий с теплым чердаком естественная тяга из-за использования герметичных окон существенно ухудшается, и для восстановления надежности вытяжки необходимо снижать потери давления во всех элементах тракта естественной вытяжки, включая конструкцию самой вентиляционной шахты.
Известно устройство вентиляционной вытяжной шахты теплого чердака, установленной на кровельных панелях [Авторское свидетельство к изобретению «Теплый чердак многоэтажного здания». SU 1218035 A, МПК E04H 1/02 / Аронов А.И.; дата заявки 13.05.83, дата публикации 15.03.86; фиг. 1, 2], в котором проход через кровельную панель имеет вход в форме диффузора. Указанная форма входа позволяет уменьшить входное местное сопротивление для потока удаляемого воздуха. Однако при этом атмосферные осадки и конденсат, стекающие по внутренним стенкам вентшахты, неупорядоченно растекаются по стенкам диффузора и затем неорганизованно распространяются по потолку чердака, что приводит к нарушению надежности кровли по предохранению чердака и помещений верхнего этажа от затоплений и сырости.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является известная конструкция вытяжной шахты для жилых зданий с теплым чердаком (Серия 2.160-4 Детали крыш жилых зданий. Выпуск 5 Сборные железобетонные чердачные крыши с теплым и холодным чердаками, с рулонной и безрулонной кровлями. Материалы для проектирования и рабочие чертежи. ЦИТП ГосстрояСССР, 1988. – 141 с.; рис. 2.160-4.5-2, с. 28-30 и рис. 2.160-4.5-29, с. 57-59; статус документа – действует; режим доступа https://docplan.ru/cat2/4294952819-1.htm).
Как можно видеть из чертежей конструкции прототипа (Серия 2.160-4 Детали крыш жилых зданий. Выпуск 5 Сборные железобетонные чердачные крыши с теплым и холодным чердаками, с рулонной и безрулонной кровлями. Материалы для проектирования и рабочие чертежи. ЦИТП Госстроя СССР, 1988. – 141 с.; рис. 2.160-4.5-20, с. 48, узел 21 панельных, блочных и кирпичных зданий; статус документа – действует; режим доступа https://docplan.ru/cat2/4294952819-1.htm), на проходе вытяжной шахты через кровлю установлен защитный фартук из оцинкованной кровельной стали для организованного стока осадков и конденсата с внутренней поверхности на поддон.
Недостатком прототипа является наличие острой входной кромки защитного фартука, которая представляет собой местное сопротивление и создает заметную потерю давления у потока удаляемого воздуха.
Предлагаемая полезная модель имеет следующие существенные признаки, общие с совокупностью признаков прототипа. Предлагается вытяжная шахта для теплого чердака многоэтажного здания, на проходе которой через кровлю установлен защитный фартук из оцинкованной кровельной стали для организованного стока осадков и конденсата с внутренней поверхности на поддон.
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является повышение надежности естественной вытяжки воздуха из помещений путем снижения энергоемкости вытяжной шахты за счет существенного уменьшения коэффициента гидравлического сопротивления защитного фартука и снижения потери давления потока удаляемого воздуха на входе в вытяжную шахту.
r =
R
x
R
l
R
R
Достижение технического результата предлагаемой полезной модели обеспечивается тем, что у вытяжной шахты для теплого чердака многоэтажного здания, на проходе которой через кровлю установлен защитный фартук из оцинкованной кровельной стали для организованного стока осадков и конденсата с внутренней поверхности на поддон, в предлагаемом решении на входе в защитный фартук закреплена профилирующая вставка, скривление профиля поверхности которой со стороны текучей среды полностью совпадает с огибающей зону вихреобразования крайней линией тока, расположение которой определяется максимальным вылетом 0,22  на расстоянии от входа  = (0,49-0,53) , и длиной  = 1,42 , где  – радиус вытяжной шахты.
r =
R
x
R
l
R
r =
R
x
R
l
R
Приведенные выше и использованные далее в формуле полезной модели параметры: 0,22 , – максимальный вылет профилирующей вставки,  = (0,49 ÷0,53)  – расстояние ее максимального вылета от входа в шахту,  = 1,42  – ее длина, являются оптимальными и получены  в результате серии натурных экспериментов, проведенных  на базе лаборатории каф. ТГВ в БГТУ им. В.Г. Шухова. Найденная в результате испытаний зона вихреобразования дает основной вклад в сопротивление входа в круглый всасывающий патрубок с острой прямоугольной кромкой. Расположение огибающей зону вихреобразования крайней линии тока далее принято по результатам испытаний на основе Ansys Fluent (пунктирная линия на фиг. 1), причем в качестве оптимальных значений  параметров огибающей приняты максимальный вылет 0,22  на расстоянии от входа  = (0,49-0,53) , и длина зоны вихреобразования  = 1,42 .
Приведенные параметры профилирующей вставки являются оптимальными и обеспечивают снижение потерь давления и, соответственно, увеличение энергоэффективности.
Полезная модель поясняется графическим материалом/
На фиг. 1 приведены верифицированные и валидированные экспериментально результаты численных испытаний (методом вычислительной гидродинамики на основе программного продукта Ansys Fluent – пунктирная линия, и методом дискретных вихрей МДВ – штриховая линия) процесса обтекания острой прямоугольной кромки на входе в круглый всасывающий патрубок радиусом R. На фиг. 1 также показана полученная в натурном эксперименте визуализация границы вихревой зоны в виде сгущенной полосы в тумане холодного водяного пара.
r =
R
R
x
R
l
R
R
На фиг. 2 схематично представлен общий вид вытяжной шахты пониженной энергоемкости 1 для теплого чердака 2 многоэтажного здания (вследствие симметричности показана только правая его часть), на проходе 3 которой через кровлю 4 установлен защитный фартук 5 из оцинкованной кровельной стали. Защитный фартук 5 предназначен для организованного стока осадков и конденсата с внутренней поверхности на поддон 6. При этом на защитном фартуке 5 с острой входной кромкой 7 закреплена профилирующая вставка 8. Скривление профиля поверхности вставки 8 со стороны текучей среды полностью совпадает с огибающей зону вихреобразования крайней линией тока, обозначенной на фиг. 1 зеленым цветом. Расположение указанной крайней линии тока определено заранее посредством испытаний, и имеет в соответствии с этим максимальный вылет 0,22  на расстоянии от входа 0,49 <  < 0,53 , и длину  = 1,42 , где  – радиус вытяжной шахты 1.
r=
R
R
x
R
l
R
R
Вытяжная шахта пониженной энергоемкости  для теплого чердака  работает следующим образом. Наличие у вытяжной шахты 1 для теплого чердака 2 на проходе 3 через кровлю 4 защитного фартука 5 из оцинкованной кровельной стали обеспечивает организованный сток осадков и конденсата, направляя их с внутренней поверхности вентиляционной шахты на поддон 6. Вместе с тем поток воздуха, вытягиваемый из теплого чердака 2 шахтой 1, уже не может формировать после острой входной кромки 7 защитного фартука 5 вихревую зону, так как место ее образования занимает профилирующая вставка 8, скривление профиля поверхности которой со стороны текучей среды полностью совпадает с огибающей зону вихреобразования крайней линией тока, расположение которой определяется максимальным вылетом 0,22  на расстоянии от входа 0,49 <  < 0,53 , и длиной  = 1,42 , где  – радиус вытяжной шахты. Отсутствие указанной зоны вихреобразования приводит к уменьшению местного сопротивления входа и к существенному (по итогам лабораторных исследований – на 38,4%) снижению потери давления у потока удаляемого воздуха.
Профилирующая вставка в общем случае может быть изготовлена штамповкой из стали тонколистовой оцинкованной по ГОСТ 14918-80 толщиной 0,5 мм, а при возможности установки без требований по огнестойкости – из полимеров. Для прямоугольной вытяжной шахты изготавливаются 4 вставки на каждую стенку с компьютерной раскройкой заготовок по месту пересечения. Вставка для круглой вытяжной шахты собирается из 4 одинаковых секций также с компьютерной раскройкой заготовок. Полимерные вставки могут быть изготовлены посредством 3D- печати, выдувного формования, формования из листов или обработки заготовок на фрезерных станках с ЧПУ (см, напр., https://ruspenoplast.ru/stati/sovremennye-metody-rezki-penoplasta/). Крепление металлических вставок может производиться винтами самонарезающими или контактной сваркой, а крепление полимерных вставок – на клеевые смеси отдельно или вместе с дюбель-гвоздями.
Предлагаемое техническое решение обеспечит повышение надежности естественной вытяжки воздуха из помещений путем снижения энергоемкости вытяжной шахты за счет существенного уменьшения коэффициента гидравлического сопротивления защитного фартука и снижения потери давления потока удаляемого воздуха на входе в вытяжную шахту.