Комплексное вентилируемое ограждение здания
COMPLEX VENTILATED BUILDING ENCLOSURE

Предлагаемое изобретение относится к строительству и может быть использовано при изготовлении вентилируемых ограждений зданий, позволяющих снизить тепловые поступления от наружного воздуха, генерировать электричество и одновременно очищать уличный воздух от вредных примесей в регионах жаркого климата.
1
2
3
Известно воздухоочищающее вентилируемое ограждение здания, включающее ряд, прижатых друг к другу боковыми торцами декоративных ограждений высотой Н толщиной ∆, каждое из которых состоит из прямоугольного каркаса, внутрь которого  вложена сетчатая прямоугольная емкость, выполненных из коррозионноустойчивого материала, емкость заполнена гранулами пемзы, изготовленной из основных металлургических шлаков, каркас прикреплен к наружному ограждению с образованием между внутренней стенкой декоративного ограждения и наружным ограждением воздушного зазора шириной ∆, между нижним торцом ограждения и поверхностью тротуара – щели шириной ∆, а под нижним торцом ограждения устроена ливневая канализация [Патент РФ №2633621, МПК E04 F13/075, E04 F13/08. 2017].
Основным недостатком известного воздухоочищающего вентилируемого ограждение здания является его быстрый нагрев от солнечных лучей в жаркий период и передача значительного количества этого аккумулированного тепла поверхности наружного ограждения здания, а также недостаточная очистка гранул шлака от загрязнений, обусловленная тем, что во время промывки его водой очищается в основном только фронтальные слои гранулированного шлака и невозможность использования солнечного тепла для генерации электричества, в результате чего снижается его эффективность.
1
2
3
0
м
Более близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является экологичное вентилируемое ограждение здания, содержащее ряд, прижатых друг к другу боковыми торцами декоративных ограждений высотой Н толщиной ∆, каждое из которых состоит из прямоугольного каркаса, верхние, нижние и боковые торцы которых закрыты сеткой, фронтальная и тыльная стороны закрыты горизонтальными, наклоненными относительно горизонта под углом 45, планками, обращенными своими наружными кромками на фронтальной стороне вверх, на тыльной стороне – вниз и выполненными из коррозионноустойчивого материала, образующих в целом емкость, которая заполнена гранулами пемзы, изготовленной из основных еталлургических шлаков, при этом диметры ячеек сетки и зазоры между планками несколько меньше минимального диаметра гранул металлургических шлаков, каркас прикреплен к наружному ограждению креплениями таким образом, чтобы между внутренней стенкой декоративного ограждения и наружным ограждением был воздушный зазор шириной ∆, между нижним торцом вышеупомянутого ограждения и поверхностью тротуара – щель шириной ∆, а под нижним торцом ограждения устроена ливневая канализация [Патент РФ №2730067, МПК E04F 13/072, E04B 2/00, E04B 1/70, 2020].
Недостатками известного экологичного вентилируемого ограждения здания являются его нагрев от солнечных лучей в жаркий период и передача значительного количества этого аккумулированного тепла поверхности наружного ограждения здания, обусловленный направлением наружных кромок планок фронтальной стороны ограждения вверх, в результате чего значительная часть солнечного тепла не отражается от вышеупомянутых планок и проникает в массу наполнителя ограждения, значительное аэродинамическое сопротивление потоку уличного воздуха фронтальных и тыльных планок, обусловленное их близким расположением друг к другу, а также невозможность использования солнечного тепла для генерации электричества, что, в общем, снижает его эффективность.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение эффективности комплексного вентилируемого ограждения здания.
1
2
3
4
0
Технический результат достигается комплексным вентилируемым ограждением здания, содержащим ряд, прижатых друг к другу боковыми торцами декоративных ограждений высотой Н толщиной ∆, каждое из которых состоит из прямоугольного каркаса, покрытого сеткой, фронтальная и тыльная стороны закрыты горизонтальными, наклоненными относительно горизонта под углом 45 вниз планками, выполненными из коррозионноустойчивого материала с высокой теплопроводностью (например, алюминия), причем фронтальные планки выполнены решетчатыми, на каждой из них на наружной стороне размещены ряды фотоэлементов, покрытых гидроизоляционной пленкой, которые соединены перемычками с коллекторами одноименных зарядов и уложены своей тыльной стороной на верхнюю сторону вышеупомянутых планок с образованием щели шириной Δ между рядом фотоэлементов и внутренней кромкой фронтальной планки, фронтальные и тыльные планки соединены своими внутренними кромками с каркасом, образуя в целом емкость, которая заполнена гранулами пемзы диаметром от 20 до 40 мм, изготовленной из основных металлургических шлаков, при этом диаметры ячеек сетки несколько меньше минимального диаметра гранул металлургических шлаков, ширина горизонтальных щелей между тыльными планками равна максимальному диаметру гранул металлургических гранул, ширина горизонтальных щелей между фронтальными планками обеспечивает максимальные затенение фронтальной стороны декоративного ограждения и солнечное облучение фотоэлементов, сам каркас прикреплен к наружному ограждению креплениями таким образом, чтобы между внутренней стенкой декоративного ограждения и наружным ограждением был воздушный зазор шириной ∆, между нижним торцом декоративного ограждения и поверхностью тротуара – щель шириной ∆, а под нижним торцом декоративного ограждения устроена ливневая канализация.
На фиг. 1–5 представлено предлагаемое полифункциональное вентилируемое ограждение здания (КВОЗ): (фиг. 1–общий вид, фиг. 2 – продольный разрез, фиг. 3–5 – основные узлы).
1
2
3
4
0
КВОЗ содержит ряд, прижатых друг к другу боковыми торцами декоративных ограждений 1 высотой Н толщиной ∆, каждое из которых состоит из прямоугольного каркаса 2, покрытого сеткой 3, тыльная и фронтальная стороны закрыты горизонтальными, наклоненными относительно горизонта под углом 45 планками 4 и 5, выполненными из коррозионноустойчивого материала с высокой теплопроводностью (например, алюминия), причем планки 5 выполнены решетчатыми, на каждой из них на наружной стороне размещены ряды фотоэлементов 6 покрытых гидроизоляционной пленкой (на фиг. 1–5 не показана), которые соединены перемычками с коллекторами одноименных зарядов (на фиг. 1–5 не показаны) и уложены своей тыльной стороной на верхнюю сторону вышеупомянутых планок 5 (узлы крепления на фиг. 1–5 не показаны) с образованием щели 7 шириной Δ между рядом фотоэлементов 6 и внутренней кромкой фронтальной планки 5, фронтальные 5 и тыльные планки 4 соединены своими внутренними кромками с каркасом 2, образуя в целом емкость 8, которая заполнена гранулами пемзы 9 диаметром от 20 до 40 мм, изготовленной из основных металлургических шлаков, при этом диаметры ячеек сетки 3 несколько меньше минимального диаметра гранул металлургических шлаков 9, ширина горизонтальных щелей 10 между тыльными планками 4 равны максимальному диаметру гранул металлургических гранул 9, ширина горизонтальных щелей 11 между фронтальными планками 4 обеспечивает максимальное затенение фронтальной стороны декоративного ограждения 1, сам каркас 2 прикреплен к наружному ограждению 12 креплениями 13 таким образом, чтобы между внутренней стенкой декоративного ограждения 1 и наружным ограждением 12 был воздушный зазор 14 шириной ∆, между нижним торцом ограждения 1 и поверхностью тротуара – щель 15 шириной ∆, а под нижним торцом ограждения 1 устроена ливневая канализация 16.
2
2
3
3
2
4
2
2
3
x
x
х
2
3
3
2
4
В основу работы предлагаемого КВОЗ положены химический состав уличного воздуха, загрязненного вредными компонентами выхлопных газов автомобильного транспорта (диоксид углерода, оксиды азота, оксиды серы, сажа, озон и т. д.), концентрация которых наиболее высокая в приземном слое атмосферы [Л. Ф. Голдовская. Химия окружающей среды. – М.: Мир, 2005, с.86-90, с.155], высокая растворимость диоксида углерода по сравнению с остальными компонентами воздуха в воде [Справочник химика, т. III. – М. – Л.: Химия, 1965, с 316], высокая скорость реакции окисления NO в NO и SO в SO, которые хорошо растворяются в воде с образованием HNO и HSO, в присутствии озона [Неницеску К. Общая химия. – М.: Высш. Школа, 1958, с. 275; Кутепов А. М. и др. Общая химическая технология.- М.: Высш. Школа, 1985, с. 348], высокое значение модуля основности гранулированного металлургического шлака – основной металлургической пемзы, которая представляет собой материал с высокопористой механически прочной структурой (прочность на сдавливание до 2,7 МПа), состоящий из оксида кальция, оксида кремния, оксида алюминия и частично из оксида магния (CaO, SiO, AlO, MnO) c модулем основности М>1, которое придает гранулам металлургической пемзы 6 основные свойства [Строительные материалы. Справочник. Под ред. Болдырева А. С. и др. –М.: Стройизд.,1989, с. 423; Домокеев А. К. Строительные материалы. – М.: Высш. школа, 1989, с. 163], позволяющие сорбировать на их поверхности вещества, обладающие кислыми свойствами, к которым относятся и вредные компоненты выхлопных газов автомобильного транспорта (NO, SO, СО). Кроме того, исходя из своего состава, металлургические шлаки устойчивы к коррозионному воздействию кислых компонентов выхлопных газов, широко доступны и дешевы. Адсорбированные из уличного воздуха оксиды азота и серы в порах взаимодействуют гранул шлака 9 обладают повышенной реакционной способностью, обусловленной их взаимодействием с поверхностью адсорбента–гранул шлаковой пемзы 9 [Неницеску К. Общая химия – М.: Мир, 1968, с. 298], поэтому окисляются кислородом со скоростью большей, чем в газовой фазе с образованием легко растворимых в воде NO и SО, которые, в свою очередь, с частицами подкисленной воды остающейся в порах гранул 9, с образованием соответствующих кислот HNO и HSO. В тоже время на поверхности и в порах гранул 9 легко оседают мелкодисперсные частицы (пыль, сажа и т. д.), в результате чего, проходя через них, воздух очищается от большей части вредных компонентов. Кроме того, свойство фотоэлементов 6 при воздействии на них солнечных лучей позволяет преобразовывать воспринятую ими солнечную энергию в электрическую [А. с. СССР №1603152, МПК F24 J2/32, 1990], а устройство на фронтальной стороне наклонных планок 5 с фотоэлементами 6 и щелями 11 жаркий период предохраняет наружное ограждение 12 от перегрева, а при промывке водой (дождевой или промывочной) щели 7 в планках 5 обеспечивают очистку всего слоя гранул шлака 9 в КВОЗ.
Обязательным условием является установка комплексных вентилируемых ограждений здания (КВОЗ) 1 на солнечной стороне наружных ограждений 12 здания.
Работа КВОЗ происходит следующим образом. В жаркий период наклонные планки 5, покрытые фотоэлементами 6 на фронтальной стороне ограждения 1 поглощают большую часть солнечного тепла, вырабатывая электроэнергию и, таким образом, значительно снижают количество тепла, поступающего на наружное ограждение 1.
В зависимости от направления и силы ветра наружный воздух может поступать (при слабом ветре или безветрии), в основном, в воздушный зазор 14 между декоративными ограждениями 1 и наружными ограждениями 12 через щели 15, расположенные в нижней части декоративных ограждений 1 (например, у цоколя здания) и частично проходит через живое сечение гранул шлака 9 со стороны улицы, движется по воздушному зазору 14 снизу вверх, снижая количество тепла, поступающего от солнечных лучей в здание, создавая тягу в зазоре 14 и проникает через горизонтальные щели 10 между тыльными планками 4 в гранулы пемзы 9, где очищается от значительной части вредных компонентов (диоксид углерода, оксиды азота, оксиды серы, сажа, озон и т. д.) и через наружные щели 11 между планками 4 фронтальной стороны ограждения 1, одновременно охлаждая нижнюю сторону фотоэлементов 6, после чего поступает в пешеходную сторону улицы.
При сильном ветре уличный воздух, наоборот, за счет ветрового давления поступает в гранулы шлака 9 через щели 11 между фронтальными планками 5, одновременно охлаждая нижнюю сторону фотоэлементов 6, после чего поступает в емкость 8, очищается от вредных компонентов на гранулах 9, выходит через щели 10 между тыльными планками 4 из емкости 8, после чего по зазору 14 очищенный воздух поступает в пешеходную зону улицы. При этом, за счет наличия наклонных планок 4 на тыльной стороне ограждения 1 происходит турбулизация потока воздуха, поднимающегося по зазору 14 и осуществляется более интенсивный отвод тепла от наружного ограждения 12.
При падении активности адсорбента, которая происходит в результате  насыщения гранул 9 вредными компонентами, их следует подвергать регенерации. Процесс регенерации заключается в промывке водой гранул 9 от частиц пыли, сажи и кислой воды, содержащей уловленные оксиды углерода, серы и азота. Промывку может быть принудительной –путем орошения декоративных ограждений 1 водой, подаваемой из водопроводной сети или автоцистерн и естественной– путем промывки ограждений 1 дождевой водой.
В период дождей или во время регенерации щели 7 в планках 5 и щели 11 между этими планками на фронтальной стороне ограждения 1 обеспечивают поступление воды в глубь емкости 8, которая промывает все гранулы шлака 9, находящиеся в ней, а наклонные планки 4 на тыльной стороне ограждения 1, наружные кромки которых наклонены вниз, выполняя роль водосливов, обеспечивают сток загрязненной примесями воды в зазор 14, где эта вода контактирует с поступающим из щели 15 и поднимающимся по зазору 14 потоком воздуха. При этом, часть воды испаряется, отнимая тепло у воздуха, снижая тем самым его температуру, в результате чего осуществляется более интенсивное охлаждение наружного ограждения 12, другая оставшаяся часть воды поглощает вредные примеси из этого воздуха и стекает в ливневую канализацию 16.
Стекающая снизу в ливневую канализацию 16 подкисленная вода, в связи со значительным содержанием диоксида углерода в ней будет способствовать процессам фотосинтеза [Комов В. П. и др. Биохимия. – М.: Дрофа, 2004, с. 210] на полях орошения городских очистных сооружений.
1
2
3
4
Высота Н и толщина ∆ декоративного ограждения 1 определяется архитектурными особенностями здания, зоной максимальной загазованности уличного воздуха и концентрацией вредных веществ в нем. Ширина щелей 7 ∆во фронтальных планках 5 принимается из условия свободного поступления промывочной воды в емкость 8. Ширина ∆ воздушного зазора 14 и щели 15 ∆ определяют из условий минимального нагрева воздуха в жаркий период времени. При этом, площадь щели 15 должна быть меньше площади продольного живого сечения гранул 9 в ограждении 1. Технические характеристики, размеры и количество фотоэлементов 6 определяются потребностями в электричестве, архитектурными особенностями здания и требованиями к его дизайну.
x
x
х
Таким образом, предлагаемое комплексное вентилируемое ограждение здания обеспечивает в жаркий период, наряду с уменьшением нагрева наружных ограждений здания, очистку уличного воздуха от значительной части вредных компонентов выхлопных газов автомобильного транспорта (NO, SO, СО, сажа, пыль и пр.), в периоды дождей и промывок очистку адсорбента от загрязнений и утилизацию солнечного тепла с получением электрической энергии.