Проблема формирования нисходящих воздуха потоков воздуха вдоль остекления, переходящих в объём помещения, обусловлена относительно малым термическим сопротивлением стеклопакетов и их высотой. Одним из способов решения проблемы является применение системы поверхностных подогревателей, расположенных на горизонтальных элементах профиля блоков остекления. Оценим эффективность различных способов размещения таких нагревателей и влияние дополнительных аэродинамических элементов — тонких пластин-панелей, размещаемых с различным зазором и под различными углами относительно профиля блоков остекления в местах расположения нагревателей.

В результате проведённого исследования выполнен сравнительный анализ формирующихся полей температур и скоростей в объёме помещения без поверхностных подогревателей, с поверхностными подогревателями, вертикальных панелей, отстоящих на расстояниях 100, 200, 300 и 400 мм, а также с наклоном верхней части панели в сторону окна и в сторону помещения.

К числу контролируемых параметров микроклимата помещений важнейшими являются температура и скорость движения воздуха. Как правило, необходимая температура обеспечивается тепловым балансом помещения и подбором соответствующей системы отопления без дальнейшего контроля отклонений температуры в различных точках помещения [1]. Этот подход регламентирован существующими нормами проектирования [2]. Формирование воздушных оттоков в помещении и их соответствие чаще всего остаются за рамками конструкторской проработки, и в лучшем случае выполняется расчёт скорости воздушного потока в струе приточной вентиляции. И если в небольших помещениях этот подход оправдан, то в помещениях большой высоты неравномерность температурного поля и воздушные потоки со скоростью, превышающую нормативную, стали обычным явлением. Как правило, внешне это проявляется по ощущениям человека как зоны высокой и низкой температуры, конденсации влаги и т. п. [3].

Причиной возникновения этого явления становится свободно-конвективное движение воздуха вдоль холодной поверхности остекления со стороны помещения. На этот процесс влияет два фактора: понижение температуры поверхности стеклопакета относительно температуры воздуха и высота остекления. Дополнительными влияющими факторами могут быть подоконная доска, выполняющая собственную аэродинамическую функцию разделения нисходящего потока от остекления и восходящего потока от отопительных приборов, а также разнообразные занавеси, жалюзи и т. п. [4]. Одним из способов решения проблемы снижения скорости нисходящего воздушного потока является установка «охранных» подогревателей на горизонтальных частях профиля обрешётки остекления.

Основным методом исследования выбран метод численного моделирования с экспериментальной проверкой полученных результатов замерами температурных полей в помещении [5], на примере которого построена модель.

Без применения мер по снижению интенсивности конвективного движения и численная модель, и реальные замеры показали формирование двух вихрей, разделяемых у окна подоконной доской (рис. 1). Как видно из рис. 1, вихри проходят через всё помещение. В зависимости от температур на границах и размеров конкретного помещения граница вихрей может проходить горизонтально, с наклоном вверх или вниз, или по более сложной траектории, как это показано на рис. 1. Замеры в реальном помещении подтвердили полученный результат.


Рис. 1. Эффективность использования нагревательного элемента (а — линии тока в помещении, б — линии тока в помещении при использовании подогревателя в средней части остекления)

Повысить комфорт в помещении можно «подняв» нижний вихрь и снизив скорость движения воздуха. Для этого добавлен нагревательный элемент, устанавливаемый вдоль горизонтального профиля переплёта окна. Дополнительно для увеличения скорости восходящего потока размещён вертикальный экран у радиатора и исключена подоконная доска. В результате границу вихря удалось сдвинуть вверх (рис. 1). Как видно из рис. 1, граница вихрей с наибольшим значением градиента скорости движения воздуха сместилась вверх. Анализ поля скоростей показал, что произошло выравнивание температуры на 80–90% площади помещения до комфортного уровня, а высокотемпературная зона от отопительного прибора локализована экраном.

Простейшим нагревательным элементов может быть горизонтальная труба с теплоносителем, которую можно скрыть за декоративным экраном. Очевидно, что экран изменит аэродинамику воздушного потока, в связи с чем проанализировано его влияние и расстояние отступа.

Исследованы поля скоростей и температур для расстояний 100, 200 (рис. 2), 300, а также 400 мм.


Рис. 2. Влияние расстояния от панели до ограждения на линии тока свободно-конвективного движения воздуха (а — расстояние 100 мм, б — 200 мм)

Как видно из полученных полей скоростей, панели существенно изменили характер движение воздуха, в том числе значительное влияние оказало в том числе и расстояние от панели до нагревателя. Увеличение зазора увеличивает скорость движения воздуха в зоне пребывания людей. Наилучшие результаты получены для зазора 100 мм.

Рассматривая панель как аэродинамический элемент, очевидным конструктивным решением является изменение угла атаки посредством изменения угла наклона панели. На рис. 3 приведены результаты для отклонения панели на угол 10°.

Как видно из рис. 3, даже небольшой наклон панели приводит к изменениям траектории и градиентов скорости воздушных потоков в помещении.


Рис. 3. Влияние наклона панели (а — наклон в сторону окна, б — наклон в сторону помещения)
 

При наклоне в сторону окна панель выполняет функцию своеобразного сопла, увеличивая скорость восходящего потока, нейтрализуя нисходящий поток. При наклоне панели от окна интенсифицируется вихрь в верхней части помещения, однако в его центре, где находятся люди, градиенты скорости минимальные, тем самым комфорт пребывания в помещении повышается. Однако интенсификация вихреобразования вблизи отопительного прибора и у дальней стены ставит вопрос о целесообразности применения такого решения.

Выводы

Исследования показали, что в помещениях с высотой 5 м и более неравномерность температурных полей и скорости движения воздуха в отопительный период могут снижать уровень комфорта вплоть до выхода за пределы, регламентируемые нормами. Решение данной проблемы является сложной инженерно-технической и архитектурно-планировочной задачей.

Как один из вариантов повышения уровня комфорта предлагается установка «охранных» подогревателей, расположенных на горизонтальных элементах профиля блоков остекления.

В результате исследования выявлен положительный эффект от внедрения этих систем и выделены основные влияющие факторы, в числе которых место размещения, мощность нагревателя, применение декоративных элементов (панелей), расстояние отступа от нагревателя и угол наклона панели. Итого можно сделать вывод о перспективности дальнейших исследований для выбора оптимального конструктивного исполнения и параметров для различных геометрических характеристик помещения и теплофизических параметров ограждения и остекления, а также климатических условий и температурных режимов помещения.