Разность давлений на наружной и внутренней поверхности ограждений

Известно, что в столбе газа статическое гравитационное давление переменно по высоте.

Гравитационное давление Р_гр, Па, в любой точке наружного воздуха на высоте h от поверхности земли, равно

 

 (2.49)

 

где Р_атм -атмосферное давление на уровне условного ноля отсчета, Па;

g - ускорение свободного падения, м/с²;

ρ_н - плотность наружного воздуха, кг/м³.

Ветровое давление P_ветр, Па, в зависимости от направления ветра на разных поверхностях здания будет различным, что в расчетах учитывается аэродинамическим коэффициентом С, показывающим какую долю от динамического давления ветра составляет статическое давление на наветренном, боковых и подветренном фасадах.

Избыточное ветровое статическое давление на здание пропорционально динамическому давлению ветра ρ_н^. v²/2 при его скорости v, м/с.

Скорости ветра измеряются на метеостанциях на высоте 10 м от земли на открытой местности.

В застройке и по высоте скорость ветра изменяется. Для учета изменения скорости ветра в различных типах местности и на разной высоте применяется коэффициент k_дин, значения которого регламентированы СНиП 2.01.07-85* [31]. Коэффициент k_дин, учитывающий изменение ветрового давления по высоте h, там представлен в зависимости от типа местности. Принимаются следующие типы местности:

А - открытые побережья морей, озер и водохранилищ, пустыни, степи, лесостепи, тундра;

В - городские территории, лесные массивы и другие местности, равномерно покрытые препятствиями высотой более 10 м;

С - городские районы с застройкой зданиями высотой более 25 м.

Сооружение считается расположенным в местности данного типа, если эта местность сохраняется с наветренной стороны сооружения на расстоянии 30h - при высоте сооружения h до 60 м и 2 км - при большей высоте.

В соответствии с вышесказанным ветровое давление на каждом фасаде равно

 

 (2.50)

 

где r_н - плотность наружного воздуха, кг/м³;

v - скорость ветра, м/с;

c - аэродинамический коэффициент на расчётном фасаде;

k_дин - коэффициент учета изменения скоростного давления ветра в зависимости от высоты здания, принимаемый по [31].

По СНиП 2.01.07-85* [31] для большинства зданий величина аэродинамического коэффициента на наветренной стороне равна c _н =0,8, а на подветренной - c _з = - 0,6.

Так как гравитационное и ветровое давления независимы друг от друга, для нахождения полного давления наружного воздуха Р_нар на здание, их складывают:

 

 (2.51)

 

За условный ноль давления Р_{усл ,} Па, по предложению В.П. Титова [35] принимается абсолютное давление на подветренной стороне здания на уровне наиболее удаленного от поверхности земли элемента здания, через который возможно движение воздуха (верхнее окно подветренного фасада, вытяжную шахту на кровле).

 

, (2.52)

 

где c_{з -} аэродинамический коэффициент, соответствующий подветренной стороне здания;

Н - высота здания или высота над землей верхнего элемента, через который возможно движение воздуха, м.

Тогда полное избыточное давление Р_н, Па, формирующееся в наружном воздухе в точке на высоте h здания, определяется по формуле:

 

 (2.53)

На рис.10 показаны эпюры гравитационного Р_гр, и ветрового Р_ветр давлений и уровень, на котором принят условный ноль давления Р_усл.

В каждом помещении создается свое полное избыточное внутреннее давление, которое складывается из давления, сформированного различным давлением на фасадах здания Р_в, Па, и гравитационного давления Р_{гр, в}, Па.

Так как в здании температура воздуха всех помещений приблизительно одинакова, внутреннее гравитационное давление зависит только от высоты центра помещения h:

 

 (2.54)

 

где r_в - плотность внутреннего воздуха, кг/м³.

 

Рис.10. Формирование воздушных потоков в многоэтажном здании с естественной вентиляцией

 

Для простоты расчетов внутреннее гравитационное давление принято относить к наружному давлению со знаком минус

 (2.55)

 

Этим за пределы здания выносится переменная гравитационная составляющая, и поэтому полное давление в каждом помещении становится постоянным по его высоте.

Плотность воздуха ρ, кг/м³, может быть определена по вытекающей из (2.33) формуле:

 

, (2.56)

 

где t - температура воздуха.

Величины внутреннего полного избыточного давления P_в для одинаково ориентированных помещений одного этажа могут различаться в силу того, что для каждого помещения формируется свое значение внутреннего давления. Определение внутренних давлений в помещениях является задачей полного расчета воздушного режима здания [6], который довольно трудоемок. Но для упрощения расчета внутреннее давление P_в принято приравнивать к давлению в лестничной клетке.

Существуют упрощенные методы расчета внутреннего давления в здании. Наиболее распространен расчет, справедливый для зданий с равномерно распределенными окнами на фасадах, когда за условно постоянное внутреннее давление в здании принимается полусумма ветрового и гравитационного давления по выражению

 

 (2.57)

 

Второй, более громоздкий способ расчета величины P_в, Па, предложенный в [36], отличается от первого тем, что ветровое давление усредняется по площадям фасадов. Выражение для внутреннего давления при рассмотрении одного из фасадов в качестве наветренного принимает вид:

 

, (2.58)

 

гдеc _н, c_б, c_з - аэродинамические коэффициенты на наветренном, боковом и подветренном фасадах;

A_н, A_б, A_з - площади окон и витражей на наветренном, боковых и подветренном фасадах, м².

В расчетах теплопотерь учитывается, что каждый фасад может быть наветренным. Следует обратить внимание на то, что величина внутреннего давления P_в, принимаемая по (2.58), получается различной для каждого фасада. Эта разница тем заметнее, чем больше отличается плотность окон и витражей на различных фасадах. Для зданий с равномерным распределением окон по фасадам величина P_в, приближается к получаемой по (2.57). Таким образом, использование формулы (2.58) для расчета внутреннего давления оправдано в случаях, когда распределение световых проемов по фасадам явно неравномерно или когда рассматриваемое здание примыкает к соседнему, или один фасад либо его часть не имеют окон совсем.

Разность наружного и внутреннего давлений по разные стороны ограждения на наветренном фасаде на любой высоте h с учетом формулы (2.55) равна:

 

 (2.59)

 

Разность давлений ∆P для окон одного фасада разных этажей будет отличаться только величиной гравитационного давления (первое слагаемое), зависящего от разности Н-h отметок верхней точки здания, принятой за ноль отсчета, и центра рассматриваемого окна. На рис.13 показана картина распределения потоков в здании со сбалансированной вентиляцией