Экологическое воздействие городской среды на конструкции навесных вентилируемых фасадов

4/2010 М1 ВЕСТНИК

ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ ГОРОДСКОЙ СРЕДЫ НА КОНСТРУКЦИИ НАВЕСНЫХ ВЕНТИЛИРУЕМЫХ ФАСАДОВ

THE ECOLOGICAL INFLUENCE OF THE CITY ENVIRONMENT ON THE DESIGN OF SUSPENDED VENTILATED FACADES

Н.П. Умнякова N.P. Umnyakova

НИИСФ PAACH, ГОУ ВПО МГСУ

В статье приводится установленный автором на основе хромотомасс-спектрального анализа химический состав загрязняющих веществ, которые проникают в вентилируемое пространство, и рассматривается динамика движения частиц пыли в воздушном зазоре вентфасада.

The chemical composition of polluting substances which get into ventilated space was established by the author on the basis of the hromotomass-spectral analysis. The composition and the dynamics of the dust particles movement in an air clearance of vented facade is considered in the article.

Увеличение интенсивности транспортных потоков в инфраструктуре городов приводит к загрязнению атмосферного воздуха различными газами , химическими веществами и взвешенными частицами, предельно допустимая концентрация которых приближается не только к биологически опасному пределу для человека, но также оказывает воздействие на долговечность строительных конструкций. При этом необходимо отметить, что ряд промышленных предприятий, выбрасывающих особо опасные загрязняющие вещества, выносится за пределы городской черты.

В атмосферном воздухе городов присутствуют различные загрязняющие вещества: взвешенные мелкие частицы размером от 10 до 80 мкм, SO2, CO, NO2, NO, H2S, Cl2, NH3, HCl, формальдегид, сульфаты, тяжелые металлы, бенз(а)пирен, бензол, ксилол, фенол, множество органических веществ. Одни из них в виде аэрозолей, взвешенных частиц и пылинок под действием аэродинамических потоков поднимаются вверх и обтекают фасады зданий, в том числе и с навесными фасадными конструкциями. Под действием ветрового потока с наветренной стороны фасада образуется избыточное положительное давление, а с заветренной - отрицательное. В результате пульсирующего ветрового воздействия на поверхность вентфасада и под действием разности плотностей между наружным воздухом и воздухом в вентилируемой воздушной прослойке в нее через зазоры между плитками декоративной обшивки проникают взвешенные частицы пыли. При перемещении их воздушным потоком в вентилируемой воздушной прослойке они оседают на поверхности утеплителя и плит облицовки. На рис.1 показана поверхность плиты из минеральной ваты, покрытая осевшей на ней пылью после 14 лет эксплуатации здания.

ВЕСТНИК МГСУ

4/2010

Таким образом, частицы пыли вместе с атмосферным воздухом проникают в вентилируемую воздушную прослойку и могут перемещаться в зависимости от направления ветрового воздушного потока снизу вверх или сверху вниз. Известно, что форма пылинок может быть различной - в виде капли, шара, пластинки, цилиндра. Принимаем в наших расчетах шарообразную форму частицы пыли.

Рис.1. Поверхность плиты из минеральной ваты, покрытая слоем пыли. Справа внизу фотографии показан фрагмент новой плиты из минеральной ваты, не находившейся в эксплуатации.

Рассмотрим движение шарообразной частицы пыли в вентилируемой воздушной прослойке вентфасада и определим критерий Рейнольдса для движения частицы пыли диаметром от 10 до 80 мкм по следующему выражению

Ре = й ч.п. V воз.пр/и

где й чп. - диаметр частицы пыли, мкм;

V воз.пр - скорость воздушного потока, м/с, в вентилируемой воздушной прослойке, получена автором в зависимости от скорости ветра [ 1], значения которой приведены в табл.1.

и - кинематическая вязкость воздуха, м2/с, значения которой в зависимости от температуры воздуха приводятся в табл.2.

Таблица 1.

Скорость движения воздуха в вентилируемой воздушной прослойке в зависимости от скорости ветра.

Скорость ветра vвeтm, м/с 0,1 0,35 0,8 1,5 2,5 3,7 5,2 7,0

Скорость воздушного потока в вентилируемой воздушной прослойке vч.п, м/с. 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

Таблица 2.

Температура воздуха 1 °С -20 0 20

Кинематическая вязкость воздуха и х 10-6, м2/с 11,6 13,28 15,06

4/2010

ВЕСТНИК _МГСУ

Исследования позволили установить, что значения критерия Рейносльдса в зависимости от скорости воздушного потока в вентилируемой воздушной прослойке и размеров частиц пыли изменяется от 0,008 до 5.

Частицы пыли весом mg (т - масса частицы пыли) находится в вентилируемой воздушной прослойке и на нее набегает воздушный поток, который перемещает ее снизу вверх (рис.2а) или сверху вниз (рис.26) под действием лобовой силы Р.

Рис.2. Движение частицы пыли в вентилируемой воздушной прослойке. а - снизу

вверх, б - сверху вниз.

Вывод уравнения движения частиц пыли был подробно приведен в работе автора [2]. В данной статье остановимся на решении дифференциальных уравнений движения частиц методом Рунге-Кутта в конечных разностях [3].

Так при значениях числа Рейнольдса Яе <1,0 с учетом лобовой силы по формуле Стокса Р= 24/Яе для УВОз.пр>Уч.п и Р > mg дифференциальное уравнение для частиц пыли, поднимающейся вверх будет

18г(у

— У л

воз.пр. ч.п.)

d„„ • dr,

^ =

dV„

d

и для условия, когда Р < mg частицы пыли под действием лобовой силы (mg-P) начинают опускаться вниз дифференциальное уравнение будет

g

18у(У

+ У

воз.пр. ч.п

) dF

d&

Расчет скорости движения частиц пыли диаметром от 1,0 до 80 мкм осуществлялся решением дифференциального уравнения (2). Скорость движения частиц пыли по мере увеличения диаметра падает. При малых скоростях воздушного потока и по мере увеличения диаметра частиц наблюдается их движение вниз. Это объясняется тем, что лобовая сила P<mg.

Для значений критерия Рейнольдса от 2 < Яе < 400 с учетом формулы Стокса -Ключко лобовая сила Р= 24/Яе + 4/ скорость движения частицы пыли вверх представляется следующим уравнением

"18-у(рВ03.пр-Рч.п.) , 3-у0'33-(гвозпр-гчп)1,{

, , "г . 0,33 ^

"эк'^ч.п. "эк '"ч.п.

9 =

dv4n

ав

и скорость движения частицы пыли вниз представляется уравнением

,1,67-,

9

18-v-(v

воз.пр

^эк'^ч.п.

+

воз.пр

0,33

dv4

d6

Результаты расчета скорости движения частицы пыли вверх по дифференциальному уравнению (4) по методу Рунга-Кутта в конечных разностях показали, что с увеличением лобовой силы Р частицы пыли при скорости воздушного потока от 0,1 до 0,8 м/с в вентилируемой воздушной прослойке поднимаются вверх.

Анализ результатов расчетов, приведенных в табл.4 и 5, показал, что при понижении температуры воздуха наблюдается тенденция к уменьшению скорости движения частиц пыли в вентилируемой воздушной прослойке вентфасада. При увеличении размеров частиц пыли скорость перемещения их в воздушной прослойке уменьшается. Таким образом, мельчайшие частицы пыли проникают достаточно интенсивно в узловые соединения элементов конструкций навесных вентилируемых фасадов и в утеплитель.

Как уже отмечалось, из навесного вентилируемого фасада, находящегося в эксплуатации в течение 14 лет на одной из центральных магистралей г. Москвы, были взяты пробы пылис целью определения ее химического состава. Исследования проводились методом хроматомасс-спектрометрии на установке ГХ-МС «Clarus 600» (фирма Perkin Elmer, США). Неорганические соединения определяли путем озоления в микроволновой печи и затем исследовали на атомном адсорбере.

На рис.3 представлена хромотограмма по общему ионному току, для трех образцов пыли, определяющая состав органических химических соединений .

В результате проведенных исследований образцов были обнаружены следующие химические соединения, входящие в состав пыли (табл.3).

Помимо вышеперечисленных химических соединений в пробах пыли были обнаружены : 1, 2, 3 - бензотрикарбоновая кислота; 1, 2 - бензодикарбоновая кислота; эфиры жирных кислот С10, С12 ; кислородосодержащие производные бензола и ПАУ и значительное количество эфира лауриновой кислоты.

4/2010 ВЕСТНИК

Рис.3. Хромотограмма, позволяющая определить состав пыли в зазоре вентфасада через 14 лет эксплуатации здания.

Таблица 3.

Средняя концентрация химических веществ, обнаруженных в образцах пыли, взятых из воздушной прослойки ветфасада после 14 лет эксплуатации здания в г. Москва (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(Ъ)флуорантен 0,111

10 Хризен 0,138

11 Бенз(а)пирен 0,022

12 Индено)1,2,3-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

Таким образом, проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили установить взаимосвязь между загрязняющими веществами в виде частиц пыли, содержащих химические соединения в воздушной городской среде и частицами пыли, движущимися в воздушном потоке вентилируемой прослойки вентфасада. Получены и решены дифференциальные уравнения движения частиц пыли диаметром от10 до 80 мкм в вентилируемой воздушной прослойке при скорости воздушного потока от 0,1 до 0,8 м/с при различных значениях критерия Рейнольдса. Установлен химический состав частиц пыли в вентилируемой воздушной прослойке, что позволяет проследить степень коррозии закладных деталей и элементов несущей системы вентфасада, выполненных из алюминиевых сплавов, нержавеющей или оцинкованной стали.

Литература

1. Умнякова Н.П. Элементы навесных вентилируемых фасадов, определяющие их теплозащитные качества. ACADEMIA. Архитектура и строительство, № 5, 2009.- с.372 - 380.

2. Умнякова Н.П. Особенности эксплуатации конструкций вентфасадов в крупных мегаполисах. ACADEMIA. Архитектура и строительство, № 3, 2010.- с.272 - 280.

3. Немцов, Степанов. Качественная теория дифференциальных уравнений. М.: 1987. - 240 с.

The literature

1. Umnyakova N.P. Elementy navesnyh ventiliruemyh fasadov, opredeluaushie ih teplozashitnye ka-chestva. ACADEMIA. Arhitektura I stroitelstvo, N5, 2009. - s.372-380.

2. Umnyakova N.P. Osobennosti ekspluatazii konstrukziy ventfasadov v krupnyh megapolisah. Academia. Arhitectura i stroitelstvo, N3, 2010.-S.272-280.

3. Nemzov, Stepanov. Kachestvennaya teoria differenzialnyh uravneniy. M.:1987.-240 s.

Ключевые слова: загрязняющие вещества, частицы пыли, число Рейнольдса, скорость воздушного потока, вентфасад, воздушная прослойка

Key words: polluting substances, dustparticles, Reynolds's number, speed of an air stream, vented facade, an air space

e-mail автора n.umniakova@mail.ru

Рецензент: Владимир Викторович Исаев доктор технических наук, проф. кафедры Экология. Промэнергетика и безопасность жизнедеятельности» РосЗИТЛП.