ВЫТЯЖНАЯ ШАХТА СО СНИЖЕННЫМ АЭРОДИНАМИЧЕСКИМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ ДЛЯ ТЕПЛОГО ЧЕРДАКА

Полезная модель относится к строительству и может использоваться как вытяжная шахта в многоэтажных зданиях с теплым чердаком и утепленной кровлей. Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в стабильном снижении аэродинамического сопротивления вытяжной шахты и, соответственно этому, в стабильном повышении гидравлической устойчивости работы естественной вытяжной вентиляции многоэтажных зданий с теплым чердаком.
Известен конструктивный элемент многоэтажного здания с теплым чердаком 1 (см. фиг. 1) - проходящая через утепленную кровлю 2 вентиляционная шахта 3, предусматриваемая для каждого отсека теплого чердака 1, содержащего выпуски воздуха из расположенных над перекрытием верхнего этажа 4 оголовков 5 сборных вентиляционных каналов 6, объединяющих вентиляционные каналы помещений различных этажей (см. также рис. 1, Рекомендации по проектированию железобетонных крыш с теплым чердаком для многоэтажных жилых зданий / ЦНИИЭП жилища. - М.: Стройиздат, 1986. - 24 с.).
Известен ряд преимуществ теплого чердака по сравнению с холодным: упрощение конструкции и повышение надежности кровли вследствие уменьшения проходов через нее, уменьшение теплопотерь здания, повышение устойчивости работы естественной вытяжной вентиляции, в особенности на верхних этажах. Благодаря указанным преимуществам теплые чердаки получили в настоящее время достаточно широкое распространение. Вместе с тем аэродинамические преимущества и энергоэффективные свойства теплого чердака реализуются только при условии полной герметичности каждого отсека с вытяжной шахтой, что на практике осуществить затруднительно. Нарушения герметичности отсеков в процессе эксплуатации здания неизбежны и происходят как по объективным (инфильтрация вследствие износа конструктивных элементов), так и по субъективным причинам, таким как неплотное закрытие проемов в разделительных перегородках отсеков. Это увеличивает теплопотери здания, и ухудшает разрежение (давление ниже атмосферного), создаваемое в теплом чердаке вытяжной шахтой. Последнее приводит к нарушению естественной вытяжки, работу которой в последнее время существенно затрудняет еще слабое поступление наружного воздуха в помещения вследствие применения герметичных окон. Поэтому в реальных условиях эксплуатации многоэтажных зданий с теплым чердаком теперь востребованы мероприятия, направленные на снижение потери давления по всему тракту естественной вытяжки от вентиляционных решеток в помещениях до укрытий на выходе вентиляционной шахты. Как можно видеть из фиг. 2, у приведенного выше аналога (см. рис. 3, Рекомендации по проектированию железобетонных крыш с теплым чердаком для многоэтажных жилых зданий / ЦНИИЭП жилища. -М.: Стройиздат, 1986. - 24 с.), на проходе 7 вытяжной шахты 3 через кровлю 2 устраивается защитный металлический фартук 8, острая входная кромка которого представляет собой местное сопротивление для потока удаляемого воздуха.
Предлагаемое техническое решение направлено на минимизацию потери давления по тракту естественной вытяжки за счет уменьшения коэффициента гидравлического сопротивления на входе в вытяжную шахту.
Известно устройство (фиг. 3) вентиляционной вытяжной шахты 3 теплого чердака, установленной на кровельных панелях 2 (см. авторское свидетельство к изобретению «Теплый чердак многоэтажного здания». SU 1218035 А, МПК Е04Н 1/02 / Аронов А.И.; дата заявки 13.05.83, дата публикации 15.03.86, фиг. 1, 2), в котором проход 7 вытяжной шахты 3 через кровельную панель 2 выполнен в форме диффузора. Вследствие этого входное местное сопротивление для потока удаляемого воздуха становится несколько меньше, чем у предыдущего аналога. Однако углы на поворотах 9 и 10 создают вихревые зоны на входе и служат источниками падения давления потока, поступающего в вытяжную шахту.
Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемой полезной модели является известная конструкция (фиг. 4) вытяжной шахты для жилых зданий с теплым чердаком (см. описание полезной модели к патенту «Вентиляционная шахта» RU 60575 U1, МПК E04F 17/04 / Сизенко О.А., Прохоренко А.П.; дата заявки 13.04.2006, дата публикации 27.01.2007, фиг. 1, 2), техническое решение полезной модели которой заключается в уменьшении аэродинамического сопротивления и повышении надежности работы вытяжной шахты. Указанный результат достигается тем, что на входе в вентиляционную шахту 7 установлено имеющее острые кромки 9, 10 кольцевое ребро 11 с размерами: ширина - 1,2D, высота - 0,25D, где D - ширина шахты.
Снижение аэродинамического сопротивления достигается, по мнению авторов этой полезной модели, за счет того, что поток при входе в расширенный участок, образованный кольцевым ребром 11, отрывается от его поверхности, а возникающий в отрывной области вихрь способствует плавному, безотрывному втеканию газа в основной входной участок шахты.
Существенным недостатком прототипа является то, что на установленном на входе в вентиляционную шахту кольцевом ребре 11 с острыми кромками 9, 10 с указанными в прототипе (см. описание полезной модели к патенту «Вентиляционная шахта» RU 60575 U1, МПК E04F 17/04 / Сизенко О.А., Прохоренко А.П.; дата заявки 13.04.2006, дата публикации 27.01.2007) размерами: ширина (b) - 1,2D, высота (h) - 0,25D, где D - ширина шахты, надежного покрытия острых кромок 10 вихрями, образующимися при срыве потока с острых кромок 9, практически не происходит. На фиг. 5 приведены верифицированные и валидированные экспериментально результаты численных испытаний (на основе методов вычислительной гидродинамики) обтекания острой прямоугольной кромки 9 на всасывании воздуха раструбом шириной D, которые дали следующие размеры огибающей зону вихреобразования 12 крайней линии тока 14: длина зоны - 0,6 D, максимальный вылет линии тока в точке 13, приходящийся на расстояние ~(0,2 - 0,238) D от входа - 0,08 D. На фиг. 6 показано наложение полученной вихревой зоны с соблюдением масштаба на входную часть конструкции вентиляционной шахты прототипа (см. описание полезной модели к патенту «Вентиляционная шахта» RU 60575 U1, МПК E04F 17/04 / Сизенко О.А., Прохоренко А.П.; дата заявки 13.04.2006, дата публикации 27.01.2007; вследствие симметричности на фиг. 6 показана только правая часть шахты), которое свидетельствует, что вихревой зоны 12, образующейся после острой кромки 9, недостаточно для покрытия острой кромки 10 при указанных в прототипе соотношениях размеров кольцевого ребра 11 (ширина 0,1 D и высота 0,25 D). Для этого ширина уступа, которое образует кольцевое ребро 11, должна быть менее 0,08 D, то есть на 20% с лишним более узкой, чем у прототипа. С учетом этого ширина кольцевого ребра 11 в целом должна быть менее 1,16 D. При этом острая кромка 10 должна быть расположена не выше точки максимального вылета 13 крайней линии тока 14, огибающей зону вихреобразования 12. Поэтому оптимальная высота уступа, которое образует кольцевое ребро после острой кромки 9, должна находиться в интервале (0,2 - 0,238) D от входа, т.е. на 5% - 20% ближе к входу, чем у прототипа.
Необходимо также иметь в виду, что возможны нарушения стабильности покрытия острой кромки 10 вихрем воздушного потока, так как вихрь, образующийся в срывной зоне за острой кромкой 9 при ее обтекании, по определению является турбулентным образованием со стохастически изменяющимися характеристиками (размерами, скоростью, давлением, циркуляцией). Поэтому стабильность плавного безотрывного втекания газа в основной входной участок шахты может также стохастически нарушаться. Гидравлическое сопротивление шахты будет при этом возрастать, и, соответственно, будет ухудшаться работа естественной вытяжной вентиляции многоэтажного здания с теплым чердаком.
Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в обеспечении надежности и стабильности снижения аэродинамического сопротивления вытяжной шахты и соответствующего повышения гидравлической устойчивости работы естественной вытяжной вентиляции многоэтажных зданий с теплым чердаком.
Достижение технического результата предлагаемой полезной модели обеспечивается тем, что на установленном на входе в вентиляционную шахту многоэтажного здания с теплым чердаком кольцевом ребре с острыми кромками с размерами: высота - h, ширина уступа - b, указываемыми относительно ширины шахты D, отличающееся тем, что размеры кольцевого ребра заключены в пределах 0,2D<h<0,23 D, D<b<1,16D, соответствующих покрытию зоной вихреобразования с огибающей ее крайней линией тока, расположение которой определено заранее посредством испытаний, всех острых кромок на входе в вытяжную шахту.
Достижение технического результата предлагаемой полезной модели обеспечивается также тем, что у данной вытяжной вентиляционной шахты на входном кольцевом ребре с острыми кромками с размерами: 0,2D<h<0,23 D, D<b<1,16D, закреплена профилирующая вставка, скривление профиля поверхности которой со стороны текучей среды полностью совпадает с огибающей зону вихреобразования крайней линией тока, расположение которой определено заранее посредством испытаний так, что ею покрыты все острые кромки на входе в вытяжную шахту.
Полезная модель поясняется чертежами фиг. 7, фиг. 8. На фиг. 7 представлена вытяжная шахта 3 многоэтажного здания с теплым чердаком (вследствие симметричности на фиг. 7 показана только левая часть шахты), на входе которой установлено имеющее острые кромки 9, 10 кольцевое ребро 11 с размерами: высота - h, ширина - b, указываемыми относительно ширины шахты D, причем размеры кольцевого ребра заключены в пределах 0,2D<h<0,23 D, D<b<1,16D, соответствующих покрытию зоной вихреобразования с огибающей ее крайней линией тока, расположение которой определено заранее посредством испытаний, всех острых кромок на входе в вытяжную шахту.
На фиг. 8 представлена вытяжная шахта 3 многоэтажного здания с теплым чердаком (вследствие симметричности на фиг. 8 показана только левая часть шахты), на входе которой на имеющем острые кромки 9, 10 кольцевом ребре 11 с размерами: 0,2D<h<0,23 D, D<b<1,16 D, закреплена профилирующая вставка 15, скривление профиля поверхности которой со стороны текучей среды полностью совпадает с огибающей зону вихреобразования 12 крайней линией тока 14, расположение которой определено заранее посредством испытаний так, что ею покрыты все острые кромки на входе в вытяжную шахту.
Для изготовления профилирующей вставки может использоваться бетон, а при возможности установки без требований по огнестойкости - полимеры. Технология изготовления вставки из бетона аналогична изготовлению обычных бетонных изделий: в заранее изготовленную форму заливается бетонная смесь и укладываются закладные детали, например, стальных проушины с отверстиями для прикрепления вставки к перекрытию при помощи, например, анкерных болтов.
Полимерные вставки из плотных материалов могут быть изготовлены посредством выдувного формования, формования из листов или 3D-печати. Изготовление вставок из вспененных полимеров, например, из пенополистирола, может быть реализовано путем обработки заготовок на фрезерных станках с ЧПУ (см, напр., https://ruspenoplast.ru/stati/sovremennve-metody-rezki-penoplasta/). Крепление вставок может производиться на клеевые смеси отдельно или вместе с дюбель-гвоздями. Вставки из пенопластов после установки должны быть оштукатурены или/и окрашены.