Влияние загрязнений воздушной среды города на конструкции вентилируемых фасадов

3/2011_МГСу ТНИК

ВЛИЯНИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЙ ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ ГОРОДА НА КОНСТРУКЦИИ ВЕНТИЛИРУЕМЫХ ФАСАДОВ

THE INFLUENCE OF CITY AIR POLLUTANTS ON VENTILATED

FACADE'S STRUCTURES

Н.П. Умнякова

N.P. Umniakova

НИИСФ PAACH

В статье рассматриваются вопросы воздействия загрязняющих веществ и пыли, находящихся в воздухе крупных городов и скапливающихся на элементах вентфасадов в вентилируемой воздушной прослойке в процессе эксплуатации здания, на долговечность элементов фасадных систем наружного утепления с воздушным зазором.

This article deals with problem of interaction between air contaminants, that are dispersed in city's air and are clustered on the elements of ventilated facades in the ventilated cavity, and durability of ventilated facade structures.

Аэродинамика воздушных потоков для зданий различной конфигурации является сложным физическим явлением. При обтекании здания ветровым потоком вдоль поверхности фасада вверх поднимаются загрязняющие вещества в виде газов и частиц пыли. Они через неплотности и отверстия в облицовочных плитах вентфасада, установленных на относе, проникают в вентилируемую воздушную прослойку, осаждаются на крепежных элементах и поверхности теплоизоляционных материалов. При резких колебаниях температуры наружного воздуха возникают условия для образования конденсата на элементах навесных фасадных систем, что в сочетании с наличием частиц пыли и других загрязняющих веществ, вступающих в химические реакции, может оказать негативное воздействие на долговечность конструкций в вентилируемом фасаде.

Схема перемещения загрязняющих веществ вместе с ветровым потоком с наветренной стороны здания, начиная от магистрали до их проникновения в вентилируемую воздушную прослойку вентфасада, приводится на рис. 1.

В нашем решении примем, что вместе с потоком ветра переносятся загрязняющие вещества в виде газов и взвешенных частиц, обладающих суммацией действия (С1 + С2 +...+Cn) в мг/м3. Рассмотрим скорость ветрового потока в сечении 1-1. Оно находится на значительном расстоянии от здания и скорость в точке А можно принять как расчетную скорость ветра vA = vpac4. При этом будем считать, что в ветровом потоке плотность воздуха р, кг/м3, соответствует плотности воздуха с загрязняющими веществами, содержащимися в нем (С1 + С2 +...+Сп)/10000, кг/м3 .

т Pv— (С, + Q +... + Q )v2pac4 _

Тогда вместо —— можно записать --— . Давление ветра

2 2-10000

в сечении 1 - 1 можно записать в следующем виде:

(с, + с2 +...+Сп УР

2-10000

"X

У

пп

I

Рис. 1.Схема обтекания здания ветровым потоком: Сечение 1-1 - находится на значительном расстоянии от здания; сечение 2-2 - около поверхности вентфасада

Примем, что количество загрязняющих веществ (С1 + С2 +...+Сп), содержащихся в ветровом потоке сечения 1-1 больше по сравнению с их содержанием (С1 + С2 +...+Сп) в сечении 2-2. Тогда для воздушного потока у поверхности вентилируемого

2

„ Р^фас

и вместо К-— запишем

фасада его скорость обозначим через уп.фас.

|с1' + с2'+...+С/)

ч.фас.

кг/м . В соответствии с принятыми условиями давление в

К

2 -10000

сечении 2 - 2 будет равно атмосферному ра и для сечения 2 - 2 в точке Б запишем

Р2-2 = Ра + к

(С1 + С2 +... + Сп )1

г.фас.

2-10000

где К - аэродинамический коэффициент.

Исходя из условий, что потери энергии между сечением 1 - 1 и 2 - 2 практически нет, то баланс энергии структурного потока выразим уравнением Бернулли

„ (д+^ +...+Спк,а, ^

- К - = Р2_2 +

(с/ +с2'+...+с;) 1

2 -10000 2 -10000

При прохождениии воздуха через неплотности и зазоры вентасада и его попадание в вентилируемую воздушную прослойку при ветровом давлении на вертикальную поверхность примем, что ветровой поток направлен под углом 45° и соответствует Уп.фас sin45 = уП.фас0,707. Тогда разность давления между наружным воздухом и вентилируемой воздушной прослойкой Ар, кг/м2, можно представить в виде

Ар = К-

р1пЛас  0,707

2^

где g - ускорение свободного падения, м/с2.

2

После соответствующих преобразований уравнения (3) и (4) получим в первом приближении уравнение (5), которое позволяет проследить динамику перемещения загрязняющих веществ с уличной магистрали до их попадания в вентилируемую воздушную прослойку вентфасада в зависимости от скорости ветра с наветренной стороны вентфасада

с/+с2'+...+с:=к

2 Р^сч • 0,707

Ар

где (С, + С2 +... + Сп) - загрязняющие вещества определяемые замерами в атмосфере

магистрального воздуха, мг/м3; рп - плотность воздуха, кг/м3 в зависимости от температуры приведена в табл. 1, Ар - величина разности давлений, кг/м2.

Таблица 1

Температура воздуха, °С 20 15 10 5 0 -5 -10 -15 -20

Плотность воздуха, кг/м3 1,205 1,226 1,248 1,27 1,293 1 ,31 7 1,342 1,368 1,396

Для определения разности давления воздуха Ар для отдельных ограждающих конструкций следует решетить систему уравнений воздушного баланса отдельных помещений, что требующее использования специальных программных комплексов [1].

Определение скорости движения воздуха в вентилируемой воздушной прослойке по высоте их расположения на этаже в зависимости от скорости ветрового потока приводится в работе [2].

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования движению частиц пыли в вентилируемой воздушной прослойке вентфасада и образования конденсата на его элементах [ 3], показали, что осаждение пылевых частиц происходит на деталях и поверхностях вентфасада в вентилируемом воздушном зазоре. Выдвинутые утверждения подтверждаются при вскрытии конструкций вентилируемых фасадов. Автором был исследован состав пыли, взятой из вентилируемой воздушной прослойки венфасада, находящегося 14 лет в эксплуатации в условиях г.Москвы.

В результате исследований образцов пыли были построены хромотограммы ( рис. 2 ), позволяющие определить химический состав пыли, и выделить вещества, содержащиеся в наибольших количествах. Анализ состава пыли был сделан также помощью рентгеноф-лоурисцентного детектора. Анализ хромотограммы и результатов рентгеновских исследований показал, что в составе пыли преобладают фталаты и тяжелые металлы. Основные химические элементы, входящие в состав пыли, представлены в табл.2.

Основные несущие конструкции навесных фасадных систем, как правило выполняются из нержавеющей или оцинкованной стали и из алюминиевых сплавов. Широкое распространение получили конструкции вентфасадов с несущими подсистемами, выполненными из оцинкованной стали и алюминиевых сплавов. Имея меньшую стоимость (по сравнению с нержавеющей сталью) алюминиевые сплавы типа АД31 и оцинкованные покрытия являются менее коррозионно стойкими. Находящиеся в атмосфере загрязняющие вещества - оксиды азота, оксиды серы, диоксиды углерода, взаимодействуя с влагой, образуют растворы кислот, которые способствуют развитию процессов коррозии элементов вентфасадов.

Рис.2. Хромотограммма, позволяющая определить состав пыли в зазоре вентфасада через 14 лет

эксплуатации здания

Помимо обычных процессов коррозии на поверхности металлических элементов, обращенных в вентилируемую воздушную прослойку, могут происходить реакции с веществами, входящими в состав пыли, исследованной автором при вскрытиях вент-фасадов. Хотя большинство соединений приведенных в табл.2. химически инертны в обычных условиях, некоторые соединения способны окисляться на воздухе или гид-ролизоваться в кислых водных средах, и продукты их разложения способны взаимодействовать с металлами.

Таблица 2.

Средняя концентрация химических веществ, обнаруженных в образцах пыли, взятых из воздушной прослойки ветфасада (по данным Н.П.Умняковой).

№ п.п. Обнаруженные соединения Средняя концентрация, мкг/г

1 Нафталин 0,549

2 Аценафтилен 0,657

3 Флуорен 0,030

4 Фенантрен 0,302

5 Антрацен 0,009

6 Флуорантен 0,370

7 Пирен 0,197

8 Бенз(а)антрацен 0,022

9 Бенз (Ь) флуорантен 0,111

10 Хризен 0,138

11 Бенз(а)пирен 0,022

12 Индено)! ,2,3-сё)пирен 0,015

13 Дибенз(а,Ь)антрацен 0,045

14 Бенз^Ы)перилен 0,021

15 Дибутилфталат 8,324

16 Бутилбензилфталат 0,503

17 Ди-2-этилгексилфталат 5,144

18 Стронций 280,71

19 Рубидий 27,42

20 Свинец 42,99

21 Цинк 382,07

22 Медь 111,62

23 Никель 59,70

24 Кобальт 261,88

25 Железо 23416,48

26 Марганец 536,33

27 Хром 174,04

Так, при УФ-освещении растворов антрацена происходит присоединение 02 с образованием эндопероксида.

02

А флуорен окисляется кислородом воздуха до 9-гидропероксифлуорена:

0 I

Н

Образующиеся в результате перикисные производные ароматических соединений являются намного более реакционноспособными. Они могут взаимодействовать с металлами в присутствии влаги:

г\

\\ /> + 2п

2п0

0 I

Н

ОН

ОН

0-0 + 7п + Н20

+ 7п0

0Н

Кислотные оксиды, растворяясь в воде, взаимодействуют с ней, образуя растворы соответствующих кислот.

0

2

0

0

ВЕСТМГСУ 3/2011

в02 + н20 = Н2в03

С02 + И20 = И2С03

В кислых средах эфиры фталевой кислоты могут гидролизоваться, в результате чего образуется фталевая кислота и соответствующие спирты: 0

Образующая фталевая (1,2-бензодикарбоновая) кислота может взаимодействовать как с металлами, так и с их оксидами

н0 ^0 И0

В результате взаимодействия входящих в состав пыли веществ коррозия металлических элементов в условиях городской среды происходит более интенсивно, что приводит к снижению долговечности несущих элементов навесных фасадных систем. Также нельзя исключить, что в результате взаимодействия частиц пыли с защитным покрытием, нанесенным на металлические элементы, прочность последнего и его ад-

3/2011_МГСу ТНИК

гезия к металлу может уменьшиться. Однако, этот вопрос требует отдельных исследований.

Таким образом, оценка долговечности навесных фасадных систем требует комплексного подхода, в котором необходимо учитывать не только традиционное воздействие наиболее распространенных загрязняющих элементов воздушной среды крупных городов - углекислого газа, оксидов азота и серы, но и других загрязняющих веществ, таких как антрацены, флоурены, фталевая, бензотрикарбоновая кислоты и другие.

Список литературы:

1.Фокин К.Ф. Строительная теплотехника ограждающих частей зданий. Под редакцией Ю.А.Табунщикова, В.Г.Гагарина . 5-ое изд.пересмотренное. - М.:АВОК-ПРЕСС, 2006. - 256 с.

2.Умнякова Н.П. Элементы навесных вентилируемых фасадов, определяющие их теплозащитные качества. Академия, №5, 2009.- с.372-380.

3.Умнякова Н.П. Влияние температурных колебаний наружного воздуха на образование конденсата в воздушной прослойке вентилируемых фасадов. Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века, №7(66), 2004 г. - с. 65-67.

Spisok literatury:

1.Fokin K.F. Stroitelnaya teplotechnika ograjdaushih chastei zdaniy. Pod redakziei U.A. Ta-bunshikova, V.G. Gagarina. 5-oe izd. peresmotrennoe. - M.: AVOK-PRESS, 2006. - 256 s.

2.Umnyakova N.P. Elementy navesnyh ventiliruemyh fasadov, opredelyaushie ih teplozashit-nye kachestva. Academia, N5, 2009. - c. 372-380.

3.Umnyakova N.P. Vliyanie temperaturnyh kolebaniy narujnogo vozduha na obrazovanie kon-densata v vozdushnoi prosloike ventiliruemyh fasadov. Stroitelnye materialy, oborudovanie, technolo-gii XXI veka, N 7 (66), 2004 g. - s. 65-67.

Ключевые слова: навесные фасадные системы, вентилируемый воздушный поток, скорость ветрового потока, загрязняющие вещества, уравнение Бернулли, договечность металлических элементов.

Key words: plunging ventilated facade, ventilating air current, air current velocity, pollutants, Bernoulli equation, steel member's durability.

e-mail: umniakova@mail.ru