Аэродинамика высотных зданий имеет свою специфику, т. к. для них влияние наружных климатических воздействий и величины градиентов перемещения потоков массы и энергии внутри здания являются по своей значимости экстремальными.

Изменение по высоте температуры,скорости ветра и барометрического давления
Известно, что в холодный и теплый период года температура наружного воздуха понижается примерно на 1 °С через каждые 150 м высоты, атмосферное давление понижается примерно на 1 гПа через каждые 8 м высоты, а v ветра увеличивается [2].

Изменение по высоте температуры и атмосферного давления описываются следующими формулами [2]:

th = t0 – 0,0065xh,       (

ph = p0 (1 – 2,25577x10–5 x h)5,2559, (

где th, ph – соответственно температура, °С, и давление, Па, на высоте h, м;

t0, p0 – соответственно температура, °С, и давление, Па, у поверхности земли;

В табл. 1 приведены значения температуры наружного воздуха и наружного барометрического давления, рассчитанные по формулам ( и ( . В табл. 1 значения температуры и барометрического давления у поверхности земли приняты равными расчетным значениям, приведенным для г. Москвы в СНиП 2.04.05 «Отопление, вентиляция и кондиционирование» (для холодного периода: параметр А – расчетное значение температуры наружного воздуха t0 = –15 °С, а параметр Б – расчетное значение температуры наружного воздуха t0 = –26 °С; для теплого периода: параметр А – расчетное значение температуры наружного воздуха t0 = 22,3 °С, параметр Б – расчетное значение температуры наружного воздуха t0 = 28,5 °С; барометрическое давление p0 = 990 гПа).

Для оценки изменения скорости ветра по высоте используются различные модели – спираль Экмана, логарифмический закон, степенной закон [1, 2, 7, 9]. Эти модели позволяют оценивать v ветра v на высоте h, если известна v ветра v0 на высоте h Например, степенной закон изменения скорости ветра по высоте имеет вид [2, 7, 9]:

vh = v0 (h/h a , (

где vh – v ветра, м/с, на высоте h, м;

v0 – v ветра, м/с, измеренная на высоте h0, м (скорости ветра измеряются на высоте 10–15 м, и в этом случае h0 = 10—15 м);

a – показатель степени, зависящий от типа местности и устанавливаемый экспериментально; в [2] рек. для центров крупных городов принимать a = 0,33.

В табл. 2 приведены значения скорости ветра в условиях городского центра, рассчитанные по формуле ( . Значения скорости ветра на высоте 10 м приняты равными расчетным значениям, приведенным для г. Москвы в СНиП 2.04.05 «Отопление, вентиляция и кондиционирование» (для холодного периода года: параметр А – v0 = 4,7 м/с, параметр Б – v0 = 4 м/с; для теплого периода года: параметры А и Б – v0 = 1 м/с).

Вместе с тем часто известна v ветра, измеренная на метеорологической станции, которая располагается, на открытой местности. В условиях плотной городской застройки v ветра на той же высоте будет ниже. v ветра v на высоте h в зависимости от типа местности в модели степенного закона рассчитывается по формуле [2, 9]:

     (

где vh – v ветра, м/с, на высоте h, м, на местности, тип которой характеризуется показателем степени a и толщиной пограничного слоя d;

v0 – v ветра, м/с, измеренная на высоте h0, м, на местности, тип которой характеризуется показателем степени a0 и толщиной пограничного слоя d0;

a – показатель степени, зависящий от типа местности и устанавливаемый экспериментально;

d – толщина пограничного слоя, м, для рассматриваемого типа местности; в работе [2] рек. следующие значения a и d:

Ј для центров крупных городов a = 0,33, d = 460 м;

Ј для условий пригорода (в данном случае под пригородом понимается местность, в которой в радиусе 2 000 м расположена малоэтажная застройка или лесопарковые массивы) a = 0,22, d = 370 м;

Ј для открытой местности a = 0,14, d = 270 м.

a0, d0 – показатель степени и толщина пограничного слоя для местности, на которой зафиксирована v ветра v0; скорости ветра измеряются на метеорологических станциях, расположенных на открытой местности на высоте 10–15 м, и в этом случае h0 = 10—15 м, a0 = 0,14, d0 = 270 м.

Под пограничным слоем понимается приземной слой атмосферы, в котором поверхность земли оказывает тормозящее воздействие на движущую массу воздуха. Возрастание скорости ветра происходит в пределах пограничного слоя, выше пограничного слоя (в свободной атмосфере) v ветра постоянна (градиентная скорость). Толщина пограничного слоя в общем случае зависит от состояния атмосферы, типа местности, широты местности и силы ветра; в рассмотренной выше методике принимается инженерное допущение – толщина пограничного слоя зависит только от типа местности, т. е. dявляется функцией только аргумента a.

По формуле ( были выполнены расчеты ожидаемых скоростей ветра для трех типов местности – открытого пространства, пригорода и центра крупного города с плотной застройкой. Значения скоростей ветра для открытой местности, зафиксированных на высоте 10 м (h0 = 10 м a0 = 0,14, d0 = 270 м), были приняты равными v0 = 1 м/с, 5 м/с и 10 м/с. Результаты расчетов представлены в табл. 3 и на 1.

Высокие значения скорости ветра на больших высотах, изменяют угол падения дождевых капель, так что увеличивается количество дождя, падающего на вертикальные поверхности здания. Это может явиться причиной переувлажнения вертикальных ограждающих конструкций. Исследования зависимости угла падения атмосферных осадков различной интенсивности от скорости ветра были проведены А. И. Кругловой и изложены в [6].

Конвективные воздушные потоки у наружной поверхности здания
В теплый период года в солнечные дни изза облученности наружных поверхностей здания солнечной радиацией их температура резко возрастает и значительно отличается от температуры окружающего воздуха. В результате разности температур образуется конвективный тепловой поток, направленный вверх здания, и имеет место так называемый приповерхностный (пограничный) слой нагретого воздуха. Разность температур наружной поверхности здания и окружающего воздуха зависит от величины солнечной радиации и коэффициента поглощения солнечной радиации материалом наружной поверхности ограждающих конструкций здания.

Проведенные нами расчеты показали, что в условиях г. Москвы при безоблачном небе в июле ожидаемые максимальные температуры наружной поверхности ограждающих конструкций различной ориентации достигают значений, приведенных в табл. 4.

Большое значение для проектирования воздухозаборных устройств и определения воздухопроницаемости ограждающих конструкций имеют значения скорости воздушных потоков у наружной поверхности зданий, обусловленные указанной выше разностью температур ( . На графиках ( приведены зависимости скоростей воздуха у наружных поверхностей здания, полученные зарубежными исследователями [7].

Ветровое давление, аэродинамические коэффициенты
При изучении аэродинамики зданий в [2] под высотным понимается такое здание, высота которого превышает ширину подветренного фасада в три и более раз. На 4 приведены данные о распределении аэродинамических коэффициентов на фасаде квадратного в плане высотного здания при различных направлениях ветра [2].

Рассмотрение значений аэродинамических коэффициентов на фасаде квадратного в плане высотного здания при различных направлениях ветра демонстрирует, что, если направление ветра перпендикулярно фасаду здания ( 4а), аэродинамические коэффициенты на этом фасаде положительны и их значения уменьшаются по направлению к  боковым фасадам здания и по направлению к верхней части рассматриваемого фасада. На увеличение значения  аэродинамических коэффициентов у верхней части фасада высотного здания также влияет повышение скорости ветра с увеличением высоты. Если направление ветра отклоняется от нормали к фасаду, область максимального давления смещается к наветренному углу здания ( 4б—в). При отклонении направления ветра от нормали на угол 45° давления становятся отрицательными у дальнего (по отношению к направлению ветра) угла фасада ( 4г). Если угол отклонения направления ветра от нормали лежит в пределах 60–75°, давления отрицательны по всему фасаду ( 4д—е). Максимальные отрицательные давления наблюдаются в областях, расположенных на боковых (по отношению к направлению ветра) фасадах у наветренных углов ( 4ж), причем на боковых фасадах распределение давлений существенно меняется в зависимости от относительных размеров данных фасадов (отношения высоты и ширины). Для заветренных фасадов (направление ветра составляет с нормалью угол больше 100°) значения давлений в различных областях меняются не столь существенно ( 4зн).

если фасад расположен под углом от 0 до 60° относительно направления ветра, то среднее давление на фасаде положительно; если этот угол составляет 60–180°, то среднее давление – отрицательно. На 5 приведены графики изменения средних значений аэродинамических коэффициентов на фасаде прямоугольного в плане высотного здания при различных соотношениях боковых сторон в зависимости от направления ветра [2].

Графики изменения средних значений аэродинамических коэффициентов на покрытии прямоугольного в плане высотного здания (в случае, если покрытие плоское или его уклон достаточно мал) при различных соотношениях боковых сторон в зависимости от направления ветра приведены на Следует отметить, что, если направление ветра составляет с фасадом здания угол порядка 45°, у наветренных кромок покрытия возникают сильные завихрения ( . Высокие скорости воздушного потока в этих завихрениях обуславливают достаточно сильное разрежение (отрицательное давление) у краев покрытия, что, например, в случае сильных ветров может быть опасно для инженерного оборудования, расположенного в этой зоне.

Если форма здания отличается от прямоугольной, характер распределения аэродинамических коэффициентов на его фасадах может существенно отличаться от приведенных выше. Возможны два метода исследования аэродинамики здания: метод физического моделирования и метод математического моделирования. Физическое моделирование здания осуществляется в аэродинамической трубе. Обычно это моделирование выполняется с учетом существующей застройки. Теория физического моделирования разработана в значительной степени благодаря работам отечественных ученых – Л. И. Седова, Т. А. АфанасьевойЭренфест, М. В. Кирпичева, А. А. Гухмана, Э. И. Реттера, Ф. Л. Серебровского и ряда других специалистов. Более широкий список источников содержится, например, в книге Э. И. Реттера [3]. Математическое моделирование — менее надежный способ исследования аэродинамики здания с учетом застройки в связи с тем, что одновременно существуют ламинарные, турбулентные, вихревые и т. п. зоны движения, для каждой из которых необходимо иметь значения коэффициентов, характеризующих движение в этих зонах, связь м. ними и характер застройки. С появлением мощной, легко доступной компьютерной техники для специалистов по математическому моделированию аэродинамики появилась принцип. возможность существенно повысить надежность расчетов.

В качестве примера приведены результаты математического моделирования аэродинамики высотного здания «MAIN TOWER», расположенного во ФранкфуртенаМайне, Германия [10]. Это здание достаточно сложной формы в плане представляет собой две башни – квадратную и круглую; его высота составляет 200 м.

Преобладающими для ФранкфуртанаМайне являются ветры югозападного и северовосточного направлений. На 8 и 9 показано распределение аэродинамических коэффициентов по периметру здания при воздействии югозападного ветра. При воздействии на здание ветра северовосточного направления характер распределения аэродинамических коэффициентов по периметру здания существенно меняется ( 10 и 1 . В этом случае только на одном из фасадов (восточной ориентации) квадратной в плане башни здания «MAIN TOWER» аэродинамические коэффициенты положительны; на остальных фасадах они отрицательны.

Значения аэродинамических коэффициентов, полученные методами математического моделирования, в дальнейшем были проверены при исследовании модели здания в аэродинамической трубе (экспериментальные значения отмечены на 9 и 11 точками). Сравнение результатов, полученных методом математического моделирования и методом физического моделирования, показало их достаточно хорошую сопоставимость.

Как было отмечено выше, режим обтекания здания воздушным потоком, помимо формы самого здания, существенно зависит от расположенных рядом других зданий и сооружений, особенностей рельефа местности и т. д. Это влияние особенно заметно, если окружающие объекты расположены на расстоянии, менее чем в пять раз превышающем высоту здания. В частности в городских условиях, сложившихся во ФранкфуртенаМайне, высотные здания, расположенные рядом в большом числе, оказывают друг на друга значительное влияние. Это взаимное влияние весьма сложно рассчитать, и основным инструментом исследования становятся испытания в аэродинамической трубе.

В результате при исследовании аэродинамики здания «MAIN TOWER» учитывалось взаимное влияние зданий, расположенных вдоль улицы Neuen Mainzer Strabe. Это высотные здания «Bu..rohaus an der alten Oper» (89 м), «Eurotheum» (110 м), «Garden Towers» (127 м), «Commerzbank» (259 м), «Taunustor JapanCenter» (115 м), и прилегающая малоэтажная застройка ( 1 .

Для исследований в аэродинамической трубе использовались модели в масштабе от 1:300 до 1:10 Масштаб определялся размерами исследуемой городской зоны (среды застройки) и возможностями аэродинамической трубы. В ходе испытаний модели располагались на поворотном столе, что позволило изучить характер распределения воздушных потоков при изменении направления ветра ( 1 .

Для качественной оценки распределения воздушных потоков вблизи поверхности зданий и на уровне улиц, прилегающих к зданию, применялась визуализация воздушных потоков посредством дыма. На основе полученных в ходе экспериментов в аэродинамической трубе результатов были построены схемы воздушных потоков у здания «MAIN TOWER» и в прилегающей городской застройке при различных направлениях ветра. Схема воздушных потоков при югозападном ветре представлена на рисунке 1 Можно отметить, что при этих условиях м. зданиями наблюдается ускорение воздушного потока, что приводит к понижению давления в этой зоне.

Для количественной оценки аэродинамических коэффициентов на модели здания были размещены датчики давления. На 15 показано распределение аэродинамических коэффициентов на отметке 93 м с учетом влияния соседних зданий при югозападном ветре. Сравнение 8 и 15 демонстрирует, что изза влияния соседних зданий характер распределения аэродинамических коэффициентов отличается от случая, когда рассматривалась модель только здания «MAIN TOWER».

Для изучения воздушных потоков в зонах, прилегающих к зданию, датчики были размещены на модели на уровне улицы (отметка 1,8 м) и у покрытий окружающих зданий. На 16 представлены скорости воздушных потоков, зафиксированных датчиками, по отношению к средней скорости господствующего ветра 3,3 м/с. Скорости воздушных потоков фиксировались при различных направлениях ветра. Исследования показали, что на уровне улицы скорости воздушных потоков уменьшаются: их численные значения составляют приблизительно 2,0–2,6 м/с. м. соседними зданиями скорости воздушных потоков возрастают, но при низких скоростях набегающего потока (слабых ветрах) возрастание скорости воздушных потоков м. соседними зданиями относительно невелико. Если средняя v господствующего ветра составляет 3,3 м/с, v воздушного потока м. зданиями возрастает примерно до 4,0–4,6 м/с.

Литература
Серебровский Ф. Л. Аэрация жилой застройки. М., 1971.

ASHRAE Handbook. Fundamentals. SI Edition. 1997.

Реттер Э. И., Стриженов С. И. Аэродинамика зданий. М., 1968.

Реттер Э. И. Архитектурностроительная аэродинамика. М., 1984.

Реттер Э. И. Аэродинамическая характеристика промышленных зданий. Челябинск, 1959.

Круглова А. И. Климат и ограждающие конструкции. М., 1964.

Daniels K. The Technology of Ecological Building. Birkhauser, 1997.

Тарабанов М. Г. Опыт проектирования систем вентиляции и кондиционирования воздуха высотных зданий // . 200 № 6.

Симиу Э., Сканлан Р. Воздействие ветра на здания и сооружения. М., 1984.

1 Табунщиков Ю. А., Бродач М. М., Шилкин Н. В. Энергоэффективные здания. М.: ПРЕСС, 2003.

1 Battle McCarthy Consulting Engineers. 199 Wind Towers – Detail in Building Academy Editions. New York: John Wiley & Sons Ltd.