автореферат диссертации по строительству, 05.23.03, диссертация на тему:Исследование теплового режима утепленных ограждающих конструкций зданий и воздуховодов с применением экранной тепловой изоляции

На правах рукописи

САПАРЁВ Михаил Евгеньевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА УТЕПЛЕННЫХ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ЗДАНИЙ И ВОЗДУХОВОДОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭКРАННОЙ ТЕПЛОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ

Специальность 05.23.03 - «Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение»

АВТОРЕФЕРАТ

г I ОКТ 2015

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005563529

Пенза-2015

005563529

Диссертация выполнена в ФГБОУ ВПО «Самарский государственный архитектурно-строительный университет»

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент

Вытчиков Юрий Серафимович

Официальные оппоненты - Кочев Алексей Геннадьевич, доктор

технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный архитектурно-

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный политехнический университет», г. Иваново

Защита состоится «12» ноября 2015 г. в 16.00 часов - на заседании диссертационного совета Д 212.184.02 в ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства» по адресу: 440028, г. Пенза, ул. Германа Титова, 28, ПГУАС, 1 корпус, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства» и на сайте http://dissovet.pguas.ru/.

Автореферат разослан " /" 2015 г.

Ученый секретарь

строительный университет», заведующий кафедрой «Теплогазоснабжение»

- Китаев Дмитрий Николаевич, кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный архитектурно-строительный университет», доцент кафедры «Теплогазоснабжение и нефтегазовое дело»

диссертационного совета

М.В. Бикунова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Реализация федерального закона № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» направлена на повышение энергоэффективности зданий и сооружений, в основном, за счет снижения теплопотерь строительными ограждающими конструкциями и трубопроводами инженерных систем. При этом в указанном выше законе приведен перечень объектов, на которые требования энергоэффективности не распространяются. К таким объектам, в первую очередь, относятся здания культурного и исторического наследия. Поэтому согласно нормативным требованиям ограждающие конструкции указанных выше зданий должны удовлетворять только санитарно-гигиеническим нормам по тепловой защите.

В целях сохранения внешнего облика здания исторического и культурного наследия утепление фасадов возможно лишь с использованием теплозащитных систем внутреннего утепления. Для предотвращения накопления влаги в наружных стенах при внутреннем их утеплении следует использовать теплоизоляционные материалы, обладающие низкой паропроницаемостью. К таким материалам относятся напыляемый пенополиуретан, экструзионные пенополистиролы, а также вспененный полиэтилен.

Теплоизоляционные материалы из вспененного полиэтилена, выпускаемые отечественными и зарубежными производителями, защищены с одной или с обеих сторон алюминиевой фольгой. Поэтому они при относительно низком коэффициенте теплопроводности обладают значительной отражающей способностью, что позволяет в сочетании с воздушными невентилируемыми прослойками достичь существенного теплозащитного эффекта.

Вопросы, связанные с использованием экранной теплоизоляции в современных ограждающих конструкциях недостаточно изучены. Вместе с тем отсутствие методики расчета подобных теплозащитных систем и технических решений по утеплению ограждающих конструкций зданий сдерживают использование указанных выше материалов в строительстве.

Актуальность данного диссертационного исследования связана с изучением процессов теплообмена в ограждающих конструкциях зданий, сооружений и изолированных воздуховодов систем вентиляции и кондиционирования воздуха с применением экранной тепловой изоляции, а также с разработкой инженерных методов расчета подобных конструкций.

Степень разработанности проблемы, изложенной в диссертации, является недостаточной в связи с тем, что до настоящего времени экранная тепловая изоляция на основе материалов с низкой паропроницаемостью, таких как пенополиуретан, экструзионные пенополистиролы, вспененный полиэтилен, подробно не исследовалась.

Применение подобных материалов в строительстве сдерживается отсутствием экспериментальных данных по термическим сопротивлениям замкнутых экранированных

воздушных прослоек, а также методики расчета строительных ограждающих конструкций, утепленных с применением экранной теплоизоляции.

Цель диссертационной работы заключается в разработке инженерных методов теплотехнического расчета ограждающих конструкций зданий, сооружений и воздуховодов систем вентиляции и кондиционирования воздуха, утепленных с помощью экранной тепловой изоляции.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- теоретическое исследование процесса теплопередачи через строительные ограждающие конструкции, утепленные с помощью экранной тепловой изоляции;

- теоретическое исследование процесса сложного теплообмена в изолированных воздуховодах систем вентиляции и кондиционирования воздуха с применением экранной теплоизоляции;

- экспериментальное исследование теплопроводности вспененных полиэтиленов, защищенных алюминиевой фольгой, тонкостенных защитных покрытий;

- теоретическое и экспериментальное исследование теплозащитных характеристик замкнутых экранированных воздушных прослоек;

- разработка инженерной методики теплотехнического расчёта строительных ограждающих конструкций, а также коротких и длинных воздуховодов, утепленных с помощью экранной теплоизоляции;

- разработка теплоизоляционных систем с применением экранной теплоизоляции;

- оценка экономической эффективности способа теплозащиты наружной стены с применением экранной теплоизоляции.

Научную новизну работы составляют:

- математические зависимости, описывающие процесс изменения термического сопротивления замкнутых воздушных прослоек в совокупности с экранной тепловой изоляцией, и учитывающие эффект экранирования;

- математическая зависимость, описывающая процесс теплообмена в изолированных воздуховодах систем вентиляции и кондиционирования воздуха с применением экранной теплоизоляции;

- аналитические зависимости для определения термического сопротивления экранированных воздушных прослоек, полученные на основе математической обработки экспериментальных данных.

Теоретическая и практическая ценность работы заключается в том, что на основе обработки экспериментальных данных впервые получены значения термического сопротивления замкнутых экранированных воздушных прослоек при различных направлениях вектора теплового потока. На основе теоретического исследования и полученных экспериментальных данных по термическим сопротивлениям замкнутых экранированных

воздушных прослоек предложен уточненный метод расчета теплопередачи через строительные ограждающие конструкции, которые рекомендуется использовать при проектировании зданий и сооружений. Предложена теплозащитная система наружных стен, состоящая из напыляемого пенополиуретана, защищенного алюминиевой фольгой и невентилируемого воздушного зазора, расположенного между отделочным слоем и утеплителем, позволяющая снизить теплопотери ограждающими конструкциями.

Уточненная методика расчета теплопотерь изолированными воздуховодами рекомендуется при проектировании систем вентиляции и кондиционирования воздуха.

Полученные значения теплопроводности материалов экранной теплоизоляции и теплоизоляционных керамических покрытий рекомендуется использовать при выполнении теплотехнических расчетов.

Практическая реализация работы:

Диссертационное исследование выполнялось в рамках государственного задания по теме «Теоретическое и экспериментальное исследование процессов тепломассопереноса в современных строительных ограждающих конструкциях зданий и сооружений».

Теплозащитная система, состоящая из напыляемого пенополиуретана, защищенным изнутри гипсокартонном с невентилируемой воздушной прослойкой, экранированной алюминиевой фольгой со стороны утеплителя, реализована при строительстве жилого комплекса «Звезда» в г. Самаре с получением значительного экономического эффекта.

Предложенная методика инженерного расчета теплопотерь изолированными воздуховодами используется проектными организациями при расчете тепловой изоляции воздуховодов и оборудования систем вентиляции и кондиционирования.

Результаты исследований использованы:

- в учебном процессе при выполнении лабораторных работ студентами СГАСУ по дисциплине «Строительная теплофизика» по специальности 270800.62 «Строительство», профилю подготовки «Теплогазоснабжение и вентиляция»;

- в стандарте СТО НППП ГК «ПРОМСТРОЙПРОЕКТ» 05.01-2014 «Методика теплотехнического расчета строительных ограждающих конструкций, утепленных с применением экранной тепловой изоляцией».

Методология и методы исследования. В качестве теоретической базы для исследования использованы научные труды по теплопередаче и влагопереносу в ограждающих конструкциях, а также труды по энергосбережению в строительстве. Все экспериментальные исследования выполнены в аккредитованной лаборатории теплотехнических испытаний СГАСУ. Определение термического сопротивления замкнутых экранированных воздушных прослоек при различном направлении вектора теплового потока выполнялось на специально созданной установке, а также с использованием измерителя теплопроводности ИТП-МГ 4 «250». Исследование ограждающей конструкции, утепленной с применением экранной

теплоизоляции, в климатической камере проводилось в соответствии с ГОСТ 26254-84. Экспериментальное исследование паропроннцаемости материалов на основе вспененного полиэтилена проводилось в соответствии с ГОСТ 25898-83. Натурные исследования ограждающих конструкций наружных стен выполнены в соответствии с ГОСТ 26629-85. Автоматизированная обработка полученных экспериментальных данных была осуществлена с применением программного пакета Microsoft Office Excel, построение двумерных температурных полей производилось с помощью специализированной программы THERM 6.3.

Достоверность результатов исследования обеспечена применением современных методов исследований, использованием действующих государственных стандартов, нормативных документов и поверенного оборудования, высокой воспроизводимостью результатов при большом объеме экспериментов.

Апробация работы и публикации. Результаты исследований докладывались на научно-техническом совещании «Проектирование и строительство доступного и комфортного жилья с применением экологически чистого и энергоэффективного керамзитобетона» (11 сентября 2013 г., Самара), пятой международной научно-технической конференции «Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции» (20-22 ноября 2013 г., Москва), 69-й, 70-й и 71-й Всероссийских научно-технических конференции по итогам НИР (Самара, 2011, 2012, 2013 гг.), Тринадцатой и четырнадцатой Международных научно-практических конференциях «Проблемы энергосбережения в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах» (Пенза, 2012, 2013 гг.), Третьем специализированном форуме «Девелопмент. Строительство. Ресурсосбережение» в рамках программы «Энергосбережение в строительстве и ЖКХ» (Тольятти, 2014 г.).

По результатам выполненных исследований опубликовано 17 работ, в том числе 4 статьи в изданиях, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией РФ.

Личный вклад автора заключается в постановке цели и задач диссертационного исследования, их теоретическом обосновании, экспериментальном подтверждении расчетных данных, анализе и внедрении полученных результатов, а также в формулировке выводов.

На защиту выносятся:

- математические зависимости, описывающие процесс изменения термического сопротивления замкнутых воздушных прослоек в совокупности с экранной тепловой изоляцией, и учитывающие эффект экранирования;

- математическая зависимость, описывающая процесс теплообмена в изолированных воздуховодах систем вентиляции и кондиционирования воздуха с применением экранной теплоизоляции;

- результаты экспериментальных исследований термических сопротивлений замкнутых экранированных воздушных прослоек и вспененных полиэтиленов, защищенных алюминиевой фольгой;

- уточненный метод теплотехнического расчета строительных ограждающих конструкций, утепленных с применением экранной теплоизоляции;

- уточненная методика расчета теплопотерь изолированными воздуховодами систем вентиляции и кондиционирования воздуха с применением экранной тепловой изоляции;

- теплозащитная система наружных стен, состоящая из напыляемого пенополиуретана, защищенного алюминиевой фольгой и невентилируемого воздушного зазора, расположенного между отделочным слоем и утеплителем, позволяющая снизить теплопотери ограждающими конструкциями;

- аналитические зависимости для определения термического сопротивления экранированных воздушных прослоек, полученные на основе математической обработки экспериментальных данных.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов, приложений и списка литературы (128 наименований). Объем диссертации составляет 160 страниц, включая 12 таблиц, 48 рисунков, 4 приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность диссертационного исследования, научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе произведен обзор исследований теплозащитных свойств и методов теплового расчета экранной изоляции. Рассмотрены материалы, применяемые в качестве экранной тепловой изоляции, и методики экспериментального исследования их теплозащитных свойств. Проанализирован процесс теплопередачи через замкнутые экранированные воздушные прослойки.

Общие вопросы теплообмена в строительных ограждающих конструкциях подробно рассмотрены в работах О. Е. Власова, К. Ф. Фокина, Б. Ф. Васильева, Ф. В. Ушкова, С. Н. Шорина, В. Л. Ильинского, В. Н. Богословского и др. В работах указанных авторов подробно описывается процесс передачи теплоты через замкнутые воздушные прослойки в строительных ограждающих конструкциях. К. Ф. Фокин, Б. Ф. Васильев в своих работах рассматривают целесообразность применения замкнутых воздушных прослоек в ограждающих конструкциях зданий. С целью снижения количества теплоты, передаваемого путем излучения, Б. Ф. Васильев указывает на необходимость экранирования хотя бы одной из поверхностей воздушной прослойки.

Исследованием эффективности применения экранной изоляции в совокупности с замкнутыми воздушными прослойками занимались И. С. Каммерер, Р. С. Михальченко, Д. А. Наринский, Б. И. Шейнин, А. И. Коршаков, П. Н. Умняков, Ф. Ф. Богданов и др. Многие исследователи подчеркивают высокие эксплуатационные свойства экранной изоляции.

Методам теплового расчета экранной теплоизоляции посвящены работы В. И. Ковалевского, Г. П. Бойкова, Я. Д. Рудакова, Г. М. Серых. В работах И. С. Каммерера, С. Н. Шорина, М. А. Михеева и др. приводятся формулы для коэффициентов теплопередачи лучистого и конвективного теплообмена в замкнутых воздушных прослойках.

При проектировании систем вентиляции и кондиционирования, как это следует из работ Е. В. Стефанова, Е. М. Беловой, В. А. Ананьева, О. Я. Кокорина, в целях снижения теплообмена между транспортируемым воздухом и воздухом окружающей среды необходимо учитывать тепловую изоляцию воздуховодов. Оценить эффективность применения экранной тепловой изоляции при утеплении воздуховодов возможно путем определения величины изменения температуры транспортируемого воздуха на изолированном участке. С физической точки зрения рассматриваемый воздуховод можно считать рекуперативным теплообменным аппаратом с постоянной температурой окружающего воздуха. Вопросам теоретического исследования процессов стационарного теплообмена в рекуператорах посвящены работы В. М. Кейса, А. Л. Лондона, Г. Д. Рабиновича, Ю. И. Данилова, А. С. Сукомела и др.

В настоящее время, как показал анализ литературных источников, отсутствует инженерная методика расчета строительных ограждающих конструкций, утепленных с применением экранной теплоизоляции. В нормативной литературе термическое сопротивление замкнутой экранированной воздушной прослойки оценивается весьма приближенно.

Проведенный анализ литературных источников позволил сформулировать цель и задачи исследований.

Во второй главе представлено теоретическое исследование процесса теплообмена в ограждающих конструкциях с применением экранной тепловой изоляции.

Имеющиеся различия в закономерностях передачи теплоты путем теплопроводности, конвекции и излучения существенно осложняет математическое моделирование изучаемого процесса. При оценке теплозащитных свойств воздушных прослоек используется комплексный подход, позволяющий учесть все составляющие в процессе теплопереноса.

Схематизация процесса теплообмена в наружной стене, утепленной с помощью экранной тепловой изоляции, представлена на рисунке 1.

Запишем постановку задачи стационарного теплообмена в наружной стене, утепленной с помощью экранной тепловой изоляции, при следующих допущениях:

- переносом теплоты в направлении осей у, ъ пренебрегаем, т.е. решение задачи рассматриваем в одномерной постановке для глади наружной стены;

- коэффициенты теплопроводности вспененного полиэтилена и существующей части наружной стены принимаем линейно зависящими от температуры в виде выражений

X = Л.0(1 + Рх/), Вт/(м ■ °С) (1)

где Ао - коэффициент теплопроводности материала при О "С; |3) - коэффициент, определяемый опытным путем; / — температура материала.

■ Между утеплителем и наружной стеной принимается условие идеального контакта.

ш

О X, X: Хз X, ^ Х

Рисунок 1. Схематизация теплообмена в наружной стене 1 - гипсокартон (внутренний отделочный слой); 2 - воздушная невентилируемая прослойка; 3 - фольгированный вспененный материал; 4 - несущая часть наружной стены Значения ?.0 и Р>. определяются по результатам обработки экспериментальных данных.

При указанных выше допущениях математическая постановка рассматриваемой задачи имеет вид:

А

ск2

= о; о<х<х,

• V -,

сЬс ск

^ — ¿2 — Т|) X —

^ = х,<х<х2 ск2

Ж.

вх <£с

ах

= о;*2 -х-хз

13=и=^3' Х = Х3

ск

= 0;лг3 <х<х.

ж4

' ск

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8) (9)

(10)

(П) (12)

(13)

где /„, ?„ - температура воздуха внутри помещения и снаружи соответственно; т„, т„ -температура внутренней и наружной поверхности ограждающей конструкции; Т|, Т2, тз -температуры на стыках слоев 1, 2, 3, 4 соответственно; Ь, и -текущие температуры в слоях 1, 2, 3, 4 соответственно; х\,х2,хз,х* -расстояния от внутренней поверхности до стыков слоев

и наружной поверхности ограждающей конструкции; Хг, Хз, >.4 - коэффициенты теплопроводности слоев ограждающей конструкции; а„ и а„-коэффициенты теплообмена на внутренней и наружной поверхностях ограждающей конструкции соответственно.

Уравнения (9), (12) представляют собой нелинейные дифференциальные уравнения второго порядка относительно температуры теплоизоляционного и стенового материала соответственно ввиду зависимости коэффициента теплопроводности от температуры. Коэффициент теплопроводности воздушной прослойки Х2 существенно зависит от перепада температур на ее поверхностях.

Преобразуем уравнения (9), (12) путем введения новой переменной

(14)

Л-0 о

где Хо - значение коэффициента теплопроводности материала при 0 'С.

В результате преобразований получим линейные дифференциальные уравнения вида

^- = 0; х2<х<х3 (15)

<&

лл

-—4- = 0; х3 <х<хА (16)

ск

Проинтегрировав уравнения (15), (16), получим выражение для определения теплового

(П)

х2 х3

а = (18)

4 _ хъ х4

где

3£ = —7а.3(/)л; (19)

Ъ-Ъ т2

Х~4=—1-рм (/>//. (20)

Тн - Т3 Ь

Величины х"3, представляют собой среднеинтегральные значения коэффициента теплопроводности теплоизоляционного и стенового материалов соответственно.

Для определения удельных потерь теплоты через ограждающую конструкцию запишем следующие уравнения

9 = «*.('.-О. (21>

(22)

д = (25)

Л4

9 = <*.('„- -О' (26)

где

8ь 5„„, 83, 64 - толщины гнпсокартона, воздушной прослойки, фольгированного вспененного материала и несущей части наружной стены соответственно; Хь — коэффициенты теплопроводности гнпсокартона и воздушной прослойки соответственно.

Эквивалентный коэффициент теплопроводности воздуха определяется по формуле

+ (27)

где Хм - значение коэффициента теплопроводности воздуха, Вт/(л<-°С); Ек - поправочный коэффициент, учитывающий влияние естественной конвекции; ал - коэффициент теплоотдачи излучением, Вт/(м2-°с)-

Коэффициент е в свою очередь зависит от разности температур на поверхностях воздушной прослойки

Значение коэффициента Ек можно определить, используя уравнение, полученное М. А. Михеевымпри 103<СгРг<10б.

Для того, чтобы получить уравнение теплопередачи через рассматриваемую ограждающую конструкцию, необходимо решить систему нелинейных алгебраических уравнений (21) - (26), исключив неизвестные температуры на внутренней и наружной поверхностях и на стыках слоев. Точное решение данной системы не представляется возможным. Поэтому предлагается приближенный итерационный метод, суть которого заключается в следующем:

- в качестве первого приближения принимаются коэффициенты теплопроводности всех материалов, входящих в состав конструкции, при температуре 20 'С, приведенные в СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий»;

- термическое сопротивление воздушной прослойки предварительно определяется согласно СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий».

По известной методике определяются сопротивление теплопередаче многослойной ограждающей конструкции, значение удельного теплового потока <7, температуры на внутренней и наружной поверхностях и на стыках слоев т„, Т|, Тг, тз, Т4, т„.

Далее определяются эквивалентный коэффициент теплопроводности воздушной прослойки >„жв. Уточняется значение сопротивления теплопередаче Яо и величина удельного теплового потока д. Расчет повторяется до достижения необходимой точности.

Приведенные выше преобразования позволяют перейти от системы нелинейных дифференциальных уравнений к системе алгебраических уравнений относительно удельного теплового потока.

В рамках задачи стационарного теплопереноса в ограждающих конструкциях воздуховодов систем приточной вентиляции рассматриваются решения для коротких (длиной до (//УЭкв) < 50) и длинных каналов.

Используемые в настоящее время воздуховоды, когда отношение 1/<1 < 50, относятся к коротким каналам, в которых существенное влияние оказывает начальный участок тепловой стабилизации на значение коэффициента теплоотдачи. В коротких каналах значение местных коэффициентов теплоотдачи значительно выше по сравнению со значениями тех же коэффициентов для стабилизированного теплообмена.

Решение рассматриваемой задачи стационарного теплообмена выполнялось при следующих допущениях:

- передача теплоты путем теплопроводности в направлении осей х и ъ не учитывалась;

- режим течения воздуха в воздуховоде принят турбулентным.

Схематизация процесса стационарного теплообмена в изолированном воздуховоде с помощью экранной тепловой изоляции представлена на рисунке 2.

У* и

у, у, Уз

V,

Та 7з Тг

.АЛ'- /■^-у-АЛ* А^/' М-

1 / ч

' /////////////А'//УС

V «л

...... X

*

Рисунок 2. Схематизация процесса стационарного теплообмена в изолированном воздуховоде с помощью экранной тепловой изоляции: 1 - стенка воздуховода; 2 - воздушная прослойка; 3 - фольгированный вспененный полиэтилен; 4 - защитный короб

При указанных выше допущениях математическая постановка задачи примет следующий

вид:

г —+ а](0-7;) = О;г=Уь 0<х<1 сЬс

4У2

.;у=у2;о<х<1

ф (¡у

7; = г2; у = у2; о<*</

(28)

(29)

(30)

0% ¥

= о\ у2<у<уъ;о<х<1

(Зу (¡у

Т2=тг\У=У3; 0<х</

= о;уз^у£у4' 0<х<1

4У с!у

т3=т4; у = у,;0<х<1

ф

(32)

(33)

(34)

(35)

(36)

(37)

(38)

где

с,-О.

и

ср - теплоемкость воздуха; Св - расход воздуха; и - смоченный периметр; а, - значение местного коэффициента теплоотдачи; а„ - коэффициент теплоотдачи наружной поверхности изолированного воздуховода; у 1, уг, Уз, }'4, )'5 -расстояния от оси до стыков между слоями, а также до внутренней и наружной поверхностей изолированного воздуховода; Т\, Т2, 7з, Т4 -температуры в слоях рассматриваемой конструкции; Х|Д2Д3Д4 - коэффициенты теплопроводности слоев конструкции; /„ - температура воздуха окружающей среды, у-скорость движения воздуха в воздуховоде.

Если пренебречь термическим сопротивлением металлического воздуховода и защитного короба, а также принять коэффициент теплопроводности экранной изоляции постоянным, то математическая постановка будет иметь упрощенный вид

г— + а|(0-Г,) = О;У=Уь 0<х<1 сЬс

а1(0-Г1)+^„-Г,) = О;^у5; 0<х<1

©|*-о=©о; 0<у<у1

В результате преобразований получено дифференциальное уравнение

¿/0 _ а,к а,к г — + 0—1— = —1—?„• сЬс а, + к а, +к

Решение данного уравнения имеет следующий вид

&{х)=е 0

х /а(д:)Л

0О + {¿>(лг)е0 (к о

(39)

(40)

(41)

(42)

(43)

где ©о - температура воздуха в начале участка воздуховода.

Вычисление определенных интегралов, входящих в выражение (43), осуществляется с помощью формулы Симпсона.

Для решения задачи стационарной теплопередачи через ограждающие конструкции длинных (длиной 1/ё1т >50) воздуховодов был применен метод безразмерных характеристик, разработанный В. М. Кейсом и А. Л. Лондоном.

Схемы конструкций утепленных воздуховодов приведены на рисунке 3.

На рисунке 4 представлен сравнительный график зависимости падения температуры транспортируемого воздуха по утепленным воздуховодам, конструкции которых представлены на рисунке 3, от величины его расхода.

б)

7-1

Рисунок 3. Схема конструкций утепленных воздуховодов: а) с применением экранной изоляции без воздушной прослойки; б) с применением экранной изоляции и воздушной прослойки: 1 - пенофол; 2 - металлический воздуховод; 3 - воздушная прослойка

0,15 0,25 0,35 0,45 0,55 0,65 в, кг/с Рисунок 4. Расчетное понижение температуры транспортируемого воздуха по изолированным воздуховодам: 1 - для конструкции, утепленной экранной изоляцией без воздушной прослойки; 2-для конструкции, утепленной экранной изоляцией с применением

воздушной прослойки

Сравнительный анализ данных, представленных на рисунке 4, показал, что применение экранированной замкнутой воздушной прослойки при утеплении воздуховодов позволяет существенно снизить теплопотери при транспортировке воздуха.

В третьей главе представлены методика и результаты лабораторных исследований теплофизических характеристик экранной изоляции и теплозащитных характеристик ограждающих конструкций.

Схема и общий вид измерителя теплопроводности ИТП-МГ 4 «250» представлены на рисунке 5.

I,

1 ----

уР

_2_ -'.у4;

м

Рисунок 5. Схема и общий вид измерителя теплопроводности ИТП-МГ 4 «250» 1 - воздушная прослойка; 2 - теплоизоляционный материал

С целью оценки эффективности применения воздушных прослоек в сочетании с подобной теплоизоляцией были проведены эксперименты при расстоянии между материалом и греющей плитой прибора ИТП-МГ4 «250» в 10, 15, 20, 25, 30, 35 и 40 мм. При исследовании использовалась конструкция, представленная на рисунке 5.

Результаты экспериментальных исследований по определению теплопроводности материалов экранной изоляции приведены в таблице 1.

Таблица 1

Результаты экспериментальных исследований по определению теплопроводности _экранной изоляции_

Исследуемый материал Толщина исследуемого материала, мм Коэффициент теплопроводности Зц., Вт/(м "С)

АЫЬегто ОиАТ1Ю 10 0,039

Пенофол 4 0,033

Теплофол 4 0,037

Фольгоизол 10 0,045

Были проведены экспериментальные исследования с целью определения термических сопротивлений экранированных воздушных прослоек в зависимости от направления теплового потока.

Схема рассматриваемой конструкции представлена на рисунке 6.

В данном эксперименте использовался металлический короб 3. Одна из лицевых граней короба утеплялась фольгоизолом - экранной теплоизоляцией 1. Остальная поверхность короба для снижения тепловых потерь в окружающую среду была защищена слоем тепловой изоляции. На наружных поверхностях металлического короба и оцинкованного листа 6 устанавливались хромель-копелевые термопары. Для создания разницы температур на этих поверхностях

пространство короба заполнялось тающим льдом 5. Измерение теплового потока производилось тепломером ИПП-2.

Рисунок 6. Схема рассматриваемой конструкции: а - с вертикальной воздушной прослойкой; б - с горизонтальной воздушной прослойкой (тепловой поток направлен снизу-вверх); в - с горизонтальной воздушной прослойкой (тепловой поток направлен сверху-вниз); 1 - экранная теплоизоляция; 2 - воздушная прослойка; 3 - металлический короб; 4 — теплоизоляция короба; 5 - охлаждающая среда (тающий лед); 6 - оцинкованный лист

Результаты исследований по определению термических сопротивлений экранированных воздушных прослоек представлены в графическом виде на рисунке 7.

0,2------------

0,1 ----------

о ----------

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 (}, ММ

Рисунок 7, Зависимость термического сопротивления замкнутой воздушной прослойки от толщины: 1 — по данным СП 50.13330 для вертикальной и горизонтальной воздушной прослойки при направлении теплового потока снизу-вверх; 2 - по данным СП 50.13330 для горизонтальной воздушной прослойки при направлении теплового потока сверху-вниз; 3 — по данным автора для горизонтальной воздушной прослойки при направлении теплового потока сверху-вниз; 4 - по данным автора для горизонтальной воздушной прослойки при направлении теплового потока снизу-вверх; 5 - по данным автора для вертикальной воздушной прослойки

Также были проведены экспериментальные исследования по определению теплопроводности таких керамических теплоизоляционных покрытий, как «Акварелла ТМ-150», «Корунд» и «Thermal-Coat». Испытываемый материал с толщиной слоя 5ь м, наносился на металлическую пластину толщиной 62, м, и размером 250x250 мм. Определение коэффициента теплопроводности проводилось стационарным методом в соответствии с ГОСТ 7076-99 «Материалы и изделия строительные. Метод определения теплопроводности и

термического сопротивления при стационарном режиме» с использованием измерителя теплопроводности ИТП-МГ 4 «250». Схема конструкции, используемой в эксперименте, приведена на рисунке 8.

1 2

t WI

_tw2,

t w3

;

, §2

Рисунок 8. Схема рассматриваемой конструкции: 1 - греющая плита, 2 - исследуемый материал, 3 - металлическая пластина, 4 - охлаждающая плита

В ходе эксперимента определялось значение теплопроводности рассматриваемой конструкции Хэкв. Коэффициент теплопроводности исследуемого материала Х.| определялся по формуле

5,

X, -

'5, +8,

(44)

Результаты экспериментов приведены в таблице 2.

Таблица 2

Керамическое покрытие Толщина исследуемого образца, мм Среднее значение теплопроводности, Вт/(м- С)

Акварелла ТМ-150 0,87 0,040

Корунд 1,1 0,036

Thermal-Coat 1,31 0,109

С целью определения сопротивления теплопередаче сэндвич-панели, представленной на рисунке 9, был проведён эксперимент с использованием климатической камеры испытательного центра «Самарастройиспытания», организованного на базе СГАСУ.

Рисунок 9. Конструкция сэндвич-панели с экранной изоляцией 1 - плита древесно-стружечная; 2 - воздушная прослойка; 3 - материал АЫЬегто (ЭиАТШЭ; 4

— воздушная прослойка. В результате сопротивление теплопередаче рассматриваемой конструкции составило

1,28 (.м2-°с)/Вт.

В четвертой главе рассмотрена область практического применения экранной тепловой изоляции в ограждающих конструкциях зданий и сооружений, а также приводится технико-экономическое обоснование использования подобных материалов при утеплении наружной стены.

На основании математического моделирования процесса теплопередачи через ограждающие конструкции, утепленные с помощью экранной тепловой изоляции, и экспериментальных исследований, изложенных в главе 3, рассмотрена область практического применения подобных материалов в ограждающих конструкциях зданий и сооружений. Так, при реконструкции или капитальном ремонте зданий, представляющих архитектурную или историческую ценность, утепление стен снаружи не представляется возможным. Поэтому с целью сохранения внешнего исторического вида здания целесообразно использовать систему внутреннего утепления, при которой теплоизоляция расположена с внутренней стороны ограждающей конструкции. Предложенные конструктивные решения по утеплению строительных ограждений с помощью экранной изоляции, а также разработанная методика теплотехнического расчета были использованы при реконструкции Самарского государственного академического театра драмы.

Одним из решений, позволяющих повысить теплозащитные характеристики строительных ограждающих конструкций, является применение экранной тепловой изоляции в совокупности с замкнутыми воздушными прослойками.

Фрагмент ограждающей конструкции с применением отражающей изоляции представлен на рисунке 10.

5 4 3 2 1

<Э

,5,

Рисунок 10. Фрагмент утепленной наружной стены 1 - гипсокартонные листы ГКЛО; 2 - воздушная прослойка; 3 - пенофол; 4 — известково-песчаный раствор; 5 — кладка из силикатного кирпича на цементно-песчаном растворе

В ходе теплотехнического расчета по предложенной методике теплопроводность воздушной прослойки при толщине 15 мм составила 0,041 Вт/(м'°С), а сопротивление теплопередаче рассматриваемой конструкции — 1,71 (м2-°С)/Вт.

Результаты расчета показывают, что значение сопротивления теплопередаче фрагмента

рассматриваемой ограждающей конструкции выше требуемого нормативного значения, равного 1,23 (м2-°С)/Вт.

Применение экранной изоляции рассмотрено при строительстве жилого многоэтажного дома в г. Самаре. Для сравнения приводится конструкция наружной стены с утеплителем из пенополиуретана.

Экономический расчет проводился по двум сравниваемым вариантам:

- вариант наружной стены с экранной тепловой изоляцией и невентилируемой воздушной прослойкой (вариант I);

- вариант наружной стены с утеплителем из пенополиуретана (вариант II).

Основные экономические показатели двух сравниваемых вариантов приведены в таблице 3.

Таблица 3

Результаты расчета основных показателей технико-экономического сравнения

Показатель Значение

Вариант I Вариант II

Общие теплопотери здания за отопительный период , МДяс 8953710 8998703

Количество газа О,, м3/год, необходимого для поддержания работы системы отопления в течение отопительного периода 249310 250563

Стоимость затраченного газа С,, руб/год 1032143 1037331

Стоимость утепления 1 м2 поверхности наружной стены, руб/м2 599 709

Общая площадь утепляемых наружных стен, м2 7580,5 7580,5

Общая стоимость материалов/^-, руб. 4540720 5374575

Приведенные затраты, руб/год. 1718439 1837329

Расчетный экономический эффект в этом случае составит

эф={с2-сХНк2-к,)= = (1037331 -1032143) • 6,7 + (5374575 - 4540720) = 868614,6руб/год.

Поскольку капитальные вложения и эксплуатационные издержки при реализации первого варианта утепления наружной стены ниже по сравнению с реализацией второго варианта утепления, экономический эффект от применения конструкции, утепленной с помощью экранной теплоизоляции, является очевидным.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Получены математические зависимости, описывающие процесс теплопередачи через строительные ограждающие конструкции, утепленные с применением экранной тепловой изоляции, с учетом зависимости коэффициентов теплопроводности утеплителя, несущего слоя и воздушной прослойки от температуры.

2. Получены математические зависимости процесса теплообмена в изолированном воздуховоде с применением экранной теплоизоляции с учетом переменности коэффициента теплоотдачи со стороны транспортируемого воздуха.

3. В результате проведенных экспериментальных исследований получены значения теплопроводности вспененных полиэтиленов, защищенных алюминиевой фольгой, и теплоизоляционных керамических покрытий.

4. На основе экспериментальных исследований получены численные значения термических сопротивлений замкнутых экранированных воздушных прослоек при различных направлениях вектора теплового потока. В результате математической обработки экспериментальных данных получены аналитические зависимости для определения термического сопротивления замкнутых экранированных воздушных прослоек.

5. На основе теоретического и экспериментального исследований предложен уточненный метод теплотехнического расчета строительных ограждающих конструкций, утепленных с применением экранной тепловой изоляции. Предложена уточненная методика расчета теплопотерь изолированными воздуховодами систем вентиляции и кондиционирования воздуха с применением экранной тепловой изоляции.

6. Разработанная теплозащитная система внутреннего утепления с использованием напыляемого пенополиуретана, защищенного алюминиевой фольгой, реализована при строительстве жилого комплекса «Звезда» в г.Самаре. Расчетный экономический эффект от внедрения составит 868614,6 руб/год.

7. Полученный в результате исследования уточненный метод теплотехнического расчета строительных ограждающих конструкций, утепленных с применением экранной теплоизоляции, рекомендуется использовать при проектировании жилых и общественных зданий, а также при реконструкции зданий исторического и культурного наследия. Уточненная методика расчета теплопотерь изолированными воздуховодами с применением экранной теплоизоляции рекомендуется использовать при расчете изолированных воздуховодов и оборудования систем вентиляции и кондиционирования.

СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1.Сапарёв М.Е. Исследование термического сопротивления экранной тепловой изоляции / М.Е. Сапарёв, Ю.С. Вытчиков // Материалы 69-й Всероссийской научно-технической конференции по итогам НИР 2011 г. - СГАСУ, Самара, 2012 г. - С. 298-300.

2. Сапарёв М.Е. Тепловой режим ограждающих конструкций с применением экранной изоляции / М.Е. Сапарёв, Ю.С. Вытчиков // Сборник трудов XIII Международной научно-практической конференции «Проблемы энергосбережения и экологии в промышленном и жилищно-коммунальных комплексах». - Пенза, 2012, С.43-46.

3. Сапарёв М.Е.Исследование теплозащитных характеристик сэндвич-панелей с применением экранной изоляции / М.Е. Сапарёв, Ю.С. Вытчиков // Межвузовский сборник научных трудов «Повышение энергоэффективности в строительстве». Выпуск 7. СГАСУ, Самара, 2012 г.-С. 10-16.

4. Сапарёв М.Е. Применение теплозащитных керамических покрытий в строительных конструкциях с воздушными прослойками / М.Е. Сапарёв, Ю.С. Вытчиков // Межвузовский сборник научных трудов «Повышение энергоэффективности в строительстве». Выпуск 7. СГАСУ, Самара, 2012 г. - С. 17-19.

5. Сапарёв М.Е. Определение теплозащитных характеристик керамических теплоизоляционных покрытий / М.Е. Сапарёв, Ю.С. Вытчиков // Материалы 70-й Всероссийской научно-технической конференции по итогам НИР 2012 г. - СГАСУ, Самара, 2013 г.-С. 277-280.

6. Сапарёв М.Е. Экспериментальное исследование теплозащитных характеристик ограждающих конструкций с применением экранной изоляции / М.Е. Сапарёв, Ю.С. Вытчиков // Сборник трудов XVI Международной научно-практической конференции «Проблемы энергосбережения и экологии в промышленном и жилищно-коммунальных комплексах». -Пенза, 2013, С.50-53.

7. Сапарёв М.Е. Исследование теплофизических характеристик современных материалов, применяемых в качестве экранной теплоизоляции ограждающих конструкций зданий / М.Е. Сапарёв, Ю.С. Вытчиков // Сборник докладов V Международной научно-технической конференции «Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции» - МГСУ, Москва, 2013 г.-С. 21-25.

8. Сапарёв М.Е.Повышение теплозащитных характеристик керамзитобетонных ограждающих конструкций с помощью экранной тепловой изоляции / М.Е. Сапарёв, Ю.С. Вытчиков //Строительные материалы. № 11 (707). Москва, 2013 г. - С. 12-15.

9. Сапарёв М.Е. Исследование теплозащитных характеристик замкнутых воздушных прослоек в строительных ограждающих конструкциях с применением экранной теплоизоляции / М.Е. Сапарёв, Ю.С. Вытчиков // Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура. №1 (14). СГАСУ, Самара, 2014 г. - С. 98-102.

10. Сапарёв М.Е. Методика теплотехнического расчёта ограждающих конструкций, утепленных с помощью экранной изоляции / М.Е. Сапарёв, Ю.С. Вытчиков // Межвузовский сборник научных статей «Научный потенциал регионов на службу модернизации». №3 (6). АИСИ, Астрахань, 2013 г. - С. 35-37.

11. Сапарёв М.Е. Экспериментальное определение теплопроводности лакокрасочных покрытий / М.Е. Сапарёв, Ю.С. Вытчиков, A.C. Прилепский//Материалы 71-й Всероссийской научно-технической конференции по итогам НИР 2013 г. -СГАСУ, Самара, 2014 г. - С. 202-205.

12. Сапарёв М.Е. Метод экспериментального исследования степени черноты строительных материалов / М.Е. Сапарёв, Ю.С. Вытчиков // Материалы 71-й Всероссийской научно-технической конференции по итогам НИР 2013 г. - СГАСУ, Самара, 2014 г. - С. 199-202.

13. Сапарёв М.Е. Повышение теплозащитных характеристик строительных ограждающих конструкций зданий и сооружений культурного и исторического наследия / М.Е. Сапарёв, Ю.С. Вытчиков // Промышленное и гражданское строительство. № 3. Москва, 2014 г. - С. 52-55.

14. Сапарёв М.Е. Эффективность применения экранной теплоизоляции при утеплении воздуховодов / М.Е. Сапарёв, Ю.С. Вытчиков // Научное обозрение. № 2. Москва, 2014 г. - С. 104-109.

15. Сапарёв М.Е. Особенности теплотехнического расчета изолированных коротких воздуховодов систем вентиляции и кондиционирования воздуха / М.Е. Сапарёв, Ю.С. Вытчиков // Научное обозрение. № 7. Москва, 2014 г. - С. 549-555.

16. Сапарёв М.Е. Технико-экономическое обоснование применения экранной изоляции в ограждающих конструкциях / М.Е. Сапарёв // Материалы 72-й Всероссийской научно-технической конференции по итогам НИР 2014 г. - СГАСУ, Самара, 2015 г. - С. 199-203.

17. Сапарёв М.Е. Оценка влажностного режима утепленной наружной стены Самарского государственного театра драмы после его реконструкции / М.Е. Сапарёв, Ю.С. Вытчиков, А.Ю. Вытчиков // Материалы 72-й Всероссийской научно-технической конференции по итогам НИР 2014 г. - СГАСУ, Самара, 2015 г. - С. 203-207.

^Примечание. Жирным шрифтом выделены публикации в изданиях, рекомендованных ВАК.

Исследование теплового режима утепленных ограждающих конструкций зданий и воздуховодов с применением экранной тепловой изоляции

Сапарёв Михаил Евгеньевич

05.23.03 - Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение

Автореферат

_Подписано к печати 10.09.15 Формат 60x84 1/16_

Бумага офсетная №2. Печать офсетная. Объем 1,38 усл. печ. л. Тираж 100 экз. Заказ № 1155.

Отпечатано в типографии ООО «Медиа-Книга» 443070, г. Самара, ул. Песчанная, 1; тел.: (846) 267-36-82