Введение. Воздушный режим многоэтажных зданий формируется под действием ветрового давления, воздухопроницаемости ограждающих конструкций и особенностей функционирования систем вентиляции. Кроме того, для высотных зданий характерно наличие стек-эффекта, который приводит к увеличению инфильтрации вследствие значительного перепада давлений и к дополнительному расходу энергоресурсов [1–3]. В инженерной практике оценка энергопотребления высотных зданий проводится с пользованием методики, которая, к сожалению, не дает достоверных результатов вследствие того, что при расчете затрат энергии на нужды вентиляции вклад инфильтрации учитывается весьма приближенно. Известно, что объемы инфильтрация зависят от положения нейтральной оси здания (NPL), так как считается, что наружный воздух поступает в здание через его оболочку ниже NPL. Обзор зарубежных работ, посвященных этой проблеме в высотных зданиях, приведен в работах [4-7]. Так как инфильтрация имеет место до высот, где разность давлений положительная, то весьма важно корректно определять положение нейтральной оси зданий. В связи с наличием стек-эффекта отмечается так же ряд негативных явлений таких как возникновение шума в лифтовых шахтах и проблемы с открыванием дверей лифтов, а также поступление в здание вредных веществ при высоком уровне загрязнения воздуха у фасадов зданий. Однако существует мнение, что в переходный и теплый периоды года наличие стек-эффекта [2, 3] оказывает, наоборот, положительное влияние за счет увеличения расхода наружного воздуха, поступающего в здания без энергозатрат. Для снижения инфильтрации в высотных зданиях проводятся комплексные исследования и разрабатываются мероприятия, направленные на стабилизацию внутреннего давления, с учетом изменения ветрового воздействия на оболочку здания [5, 8–11]. Предложено, например, зонирование зданий, повышение герметичности верхней части фасада, регулирование внутреннего давления за счет работы систем вентиляции. Особо отмечается влияние на инфильтрацию и теплопотери зданий не только герметичности оболочки, но и герметичности внутренних ограждений (перегородок, дверей квартир, лифтов). При исследовании воздушного режима 25 этажного здания, расположенного в Скандинавии [12], было показано, что снижение воздухопроницаемости оболочки здания с 3,0 м3/(ч∙м2) до 0,5 м3/(ч∙м2)  при разности давления ΔP= 50 Па   позволяет снизить энергопотребление на 10 %, а при герметизации внутренних конструкций до 0,0012 м2/м2 еще на 10 %, обеспечив нормативные параметры микроклимата при удельной тепловой нагрузке 40 кВт·ч/м2. Рекомендуемая герметичность для внутренних конструкций согласно требованиям ASHRAE приведена в таблице 1 [5].     Таблица 1Показатели герметичности внутренних конструкций Внутренние конструкцииГерметичность, м2/м2Стены – высокая герметичность0,14 10-4Стены – средняя герметичность0,11 10-3Стены – малая герметичность0,35 10-3Пол/потолок0,52 10-4Примечание. Герметичность – отношение площади неплотностей на 1 м2 конструкции  Все методы, применяемые для определения положения NPL и определения инфильтрации– приближенные.Особенности взаимодействия зданий с ветровым потоком и распределение давления по высоте зданий определяют либо с применением CFD моделирования [6, 13], либо при испытаниях в аэродинамических трубах (АТ) [10 - 12, 14]. Результаты, полученные при CFD моделировании, зависят от корректности постановки задачи, выбора граничных условий и модели турбулентности, которая наиболее приемлема для характеристик пограничного слоя атмосферы (ПСА). Обеспечить полное соблюдение требований теории подобия при моделировании ПСА достаточно сложно и реализуется, в основном, в метеорологических АТ больших размеров. В связи с этим при изучении вопросов взаимодействия зданий с ветровым потоком используют приближенное моделирование, например, [6, 12]. Моделируется нижняя часть ПСА при условии нейтральной стратификации, где силы трения превышают силы Кориолиса, а профиль скорости ветра с высотой задается, как правило, степенной зависимостью с показателем степени n=0,14 для свободной поверхности или n=0,33 для потока в городской среде. Для получения достоверных результатов требуется также моделировать профили интенсивности турбулентности, так как форма и размеры зон циркуляции и отрыва потока, а, следовательно, и аэродинамические коэффициенты зданий с острыми кромками зависят от интенсивности и масштаба турбулентности потока. Разработка мероприятий по сокращению инфильтрации приобретет особую актуальность в связи с введением с 01 января 2023 г. более жестких требований по энергопотреблению вновь создаваемых зданий. Величина удельной характеристики расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию снижена на 40 % по сравнению с действующими ранее значениями. В настоящее время для высотных офисных зданий часто применяют модульные фасады (КФС). В этом случае проблема определения объемов инфильтрации упрощается и может быть выполнена по результатам испытаний. Фрагменты таких фасадов тщательно исследуются в аккредитованных испытательных центрах, так как к ним предъявляются повышенные требования по теплотехническим характеристикам, воздухопроницаемости и звукоизоляции. На основании сравнительных испытаний нескольких конструкций выбирается наиболее подходящий вариант для оболочки здания, который обеспечивает перечисленные выше требования. В связи с вышеизложенным целесообразно рассмотреть методы определения инфильтрации, используемые в РФ, и особенности их применения к современным зданиям. Кроме того, определенный интерес для проектной практики представляет сравнение расчетных данных по нормативным методикам и результатов испытаний в аккредитованных испытательных центрах, а также с нормами других стран.Методы. Для определения разности давлений по высоте офисного модульного здания высотой 300 м и объемов инфильтрации использованы:–   расчетные методы по нормативным документам согласно СП 60.13330 и СП 50.13330;–   экспериментальный – по результатам определения воздухопроницаемости фасадных конструкций (КФС) в ИЦ «Фасады-СПК» НИИСФ.Приводятся сравнение расчетных объемов инфильтрации согласно СП 60.13330 и СП 50.13330 и определенных по результатам испытаний, а также выполнено сравнение с нормами разных стран.Согласно СП 60.13330 разность давлений воздуха на наружной и внутренней поверхностях ограждающих конструкций DP, Па, рекомендуется определять по формуле:ΔР=Hρн-ρвg2+ρн⋅v24Сн-Сзkz ,  (1) где H – высота здания, м;  g = 9,81 м/с2 ускорение свободного падения; rв, rн, – соответственно плотность внутреннего и наружного воздуха, кг/м3; v – расчетная скорость ветра в холодный период года, м/с; Сн и Сз – аэродинамические коэффициенты соответственно для наветренной и подветренной поверхностей ограждений здания, принимаемые по СП 20.13330 для зданий  прямоугольной формы 0,8 и минус 0,6; kz – коэффициент учета изменения скоростного давления ветра в зависимости от высоты здания. Для холодного периода года приняты: температура наружного воздуха минус 24 °С, плотность воздуха rв = 1,2 кг/м3, rн = 1,4 кг/м3, скорость ветра на высоте 10 м – 5 м/с.На рисунке 1 показано распределение разности давлений для здания высотой 300 м с использованием метода СП 60.13330. При учете скорости ветра и его изменения с высотой положение нейтральной зоны располагается выше на 50 м. Для сравнения приводится также расчет по СП 50.13330 для разности давления, которое принимается при расчете сопротивления воздухопроницанию конструкций и определяется по формуле:  ΔР=0,55Hρн-ρвg+0,3ρн⋅v2 , Па     (2) где v – скорость ветра (максимальное значение скорости ветра из тех румбов за январь месяц, для которых повторяемость ветра составляет 16 % и более), v = 5 м/с. Рис. 1. Распределение давлений с использованием СП 60.13330Pin, Pout – соответственно, давление внутри и снаружи здания, Pwind – давление ветра  Разность давлений, определенная по формуле (2), соответствует середине здания. Изменение скорости ветра с высотой не учитывается. Однако следует отметить, что нет однозначного мнения по поводу расчета разности давлений воздуха, которое используется для оценки объемов инфильтрации [15–19]. Например, в [1, 17, 20] для определения изменения разности давлений по высоте здания предложена зависимость, которая учитывает характер изменения по высоте температуры воздуха и скорости ветра, особенности подстилающей поверхности, барометрическое давление.Основные научные результаты. Неоднозначность расчетных методов подтверждается сравнением результатов расчетов, представленных на рисунке 2. В качестве примера приведено сравнение распределения разности давлений по высоте для здания высотой 300 м по методике СП 60.13330. и зависимости, предложенной в [1, 17, 20]. Из графика видно, что нейтральная ось располагается на высоте 50–60 м при расчете, а разность давления на высоте здания составляет минус 3328 Па, что в 10 раз превышает расчетные значения по методикам нормативных документов СП 50.13330 и СП 60.13330. Сравнение результатов расчета по вышеописанным методикам приведено в таблице 2. Таблица 2.Анализ результатов расчета по методикам СП 60.13330, СП 50.13330 и [20] ИсточникПоложениенейтральной зоны от поверхности (LNP), мРазность давленийна 300 м, ПаРазность давлений для расчетаинфильтрации, ПаСП 60.13330 (без учета ветра)150-331318СП 60.13330 (с учетом ветра)200-186343СП 50.13330 (ветер на h=10 м)150380380Источник [1, 20]60-3328423  Рис. 2. Распределение разности давлений по СП 50.13330 и по данным [20]  Корректность определения положения нейтральной оси влияет на расчет объемов инфильтрации, а, следовательно, и энергопотребление зданий, так как инфильтрация воздуха имеет место через оболочку здания ниже нейтральной оси.Учитывая вышеприведенные результаты анализа расчетных методов, становится актуальным физический эксперимент для определения воздухопроницаемости фасадных конструкций. Испытания фасадных модулей (КФС) офисного здания на воздухопроницаемость проводились на специальном стенде в Испытательном Центре «Фасады-СПК» Научно-исследовательского института строительной физики (НИИСФ РААСН) в диапазоне давлений 10-2000 Па при положительной и отрицательной разности давлений с учетом механической прочности элементов КФС. На рисунке 3 приведены результаты, полученные с использованием программного обеспечения [21], в виде зависимости объемного расхода воздуха, м3/(ч∙м2), проходящего через модуль КФС «Schuco» площадью 20 м2, который включает светопрозрачные и непрозрачные элементы при положительном и отрицательном перепаде давления ΔР, Па.В общем виде изменение воздухопроницаемости g с увеличением давления соответствует зависимости вида: lng=a+nlnΔP ,                       (3) где g – объемный расход воздуха, м3/ч∙м2; n – показатель фильтрации; ΔP– разность давления, Па. Показатель фильтрации варьируется в зависимости от характеристик конструкции от 0,50 до 0,78. При ориентировочных расчетах рекомендуется принимать показатель степени n = 0,6.По результатам испытаний объем воздуха Vинф, проходящий через модуль КФС при расчетной разности давлений (табл. 2), определяется как Vинф = S∙g, м3/ч                        (4) где S – площадь поверхности испытанного модуля, равная 20 м2; g – объем воздуха при положительной разности давлений, определенный по результатам испытаний, м3/(м2∙ч). Для определения воздухопроницаемости фасадных модулей в диапазоне давлений 10-2000 Па предлагается использовать коэффициент объемной воздухопроницаемости С, м3/(с∙Па):  𝑞 = 𝐶∙Δ𝑃𝑛 ,                             (5)  где q – расход воздуха через неплотности модуля, м3/с; ΔP – разность давлений на исследуемом элементе, Па; n – показатель степени, определяемый экспериментально (рис. 3). Коэффициент объемной воздухопроницаемости испытанного модуля для положительной разности давлений составит С+ = 14,9∙10–6 м3/(с∙Па). Сравнение воздухопроницаемости, полученной для исследуемой конструкции при соответствующих значениях перепада давления, с нормативными требованиями РФ и разных стран приведено в таблице 3 [5].   Рис. 3. Зависимость расхода воздуха g, м3/ч∙м2, проходящего через модуль КФСфирмы «Schuco» от перепада давления ΔР, Па:а) положительная разность давлений; б) отрицательная разность давлений Таблица 3Сравнение нормативных требований по воздухопроницаемости фасадов разных стран ИсточникВоздухопроницаемость фасада, м3/м2∙чИспытания, м3/м2∙ чASTM E283 (американский код)0,95       при ΔP = 300 Па0,09EN-12152-2002 (европейский код)1,50      при ΔP = 600 Па0,14GB/T 21086-2007 (Китай)0,50      при ΔP=   10 Па0,01Россия СП 50.133300,50      при ΔP=   10 Па0,01  Из таблицы 3 видно, что нормативные требования западных стран практически в 10 раз превышают результаты испытаний, а требования нормативных документов РФ и Китая в 50 раз превышают воздухопроницаемость испытанного модуля.В качестве примера представлен расчет инфильтрации по результатам испытаний модуля фасада для здания высотой 300 м, имеющего отапливаемый объем 240∙103 м3, площадь фасада 36 000 м2 (количество модулей 1800 шт.), площадь светопрозрачных элементов 18000 м2. Отсюда получен объем воздуха, поступающего в здание вследствие инфильтрации через модульный фасад для разности давлений 380 Па (табл. 2.), используя формулу (4): V = 14,9∙10-6 ∙3800,64∙1800 = 1,2 м3/с. В таблице 4 приведено сравнение расчетных значений количества инфильтрирующего воздуха, кг/ч, поступающего в здание и по данным испытаний. Таблица 4Анализ результатов расчета по методике 60.13330 и результатам испытаний ИсточникПлощадь фасада, А, м2Разность давлений для расчета инфильтрации, ПаКоличество инфильтрирующего воздуха, кг/чРезультаты испытаний36000/24000343*4326/2703СП 50.13330 п.Г.3G=0,2∙0,85∙VотVот = 240 000380**40 800Примечание: *А=24000 м2 площадь фасада ниже нейтральной оси здания;                        ** – количество инфильтрирующего воздуха, кг/ч, рекомендуемое для общественных зданий по                                СП 50.13330 при сбалансированной вентиляции 168 ч в неделю.  Разность давлений на фасадах зданий зависит от их размеров, конфигурации, особенно для зданий с острыми кромками, когда имеет место срыв потока с образованием вихревых зон. Поэтому наиболее надежную информацию можно получить при исследовании моделей зданий в АТ или CFD моделировании с учетом характеристик пограничного слоя атмосферы.Использование нормативных документов СП 50.13330 и СП 60.13330 для определения количества инфильтрирующего воздуха не позволяет получить достоверные результаты (табл. 4). Для соблюдения требований энергосбережения и обеспечения минимальных объемов инфильтрации выбор элементов модульных фасадов рекомендуется проводить на базе экспериментальных исследований, определяя приведенное сопротивление теплопередаче модуля фасада и его коэффициент объемной воздухопроницаемости.Испытанные модульные конструкции имеют хорошую герметичность и могут быть рекомендованы для высотных зданий выше 300 м.Для определения воздухопроницаемости модульных фасадов общественных зданий, состоящих из светопрозрачной и непрозрачной частей, требуется разработка инженерных методов расчета и нормативного документа, включающего так же определение их теплотехнических характеристик. Выводы. 1. Показано, что на формирование воздушного режима многоэтажных зданий влияют внешние и внутренние факторы, такие как ветровое давление, объемно-планировочные решения здания, воздухопроницаемость ограждающих конструкций, соотношение расходов приточного и удаляемого воздуха, в том числе с учетом инфильтрации и эксфильтрации воздуха.2. Установлена неоднозначность инженерных методов расчета инфильтрации, представленных в нормативных документах, что не позволяет с достаточной степенью достоверности определить необходимые энергозатраты здания для компенсации потерь теплоты.3. Получены экспериментальные зависимости для определения воздухопроницаемости современной фасадной конструкции, имеющие существенные преимущества при сравнении с нормативными требованиями РФ и других стран.4. Полученные результаты могут стать основой для разработки нового инженерного метода с учетом экспериментальных зависимостей, полученных для новых фасадных конструкций.