автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Моделирование и оценка интегрального влияния влагосодержания, воздухопроницаемости и конструктивных особенностей ограждений на энергопотребление зданий

На правах рукописи

КРАЙНОВ ДМИТРИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОЦЕНКА ИНТЕГРАЛЬНОГО ВЛИЯНИЯ ВЛАГОСОДЕРЖАНИЯ, ВОЗДУХОПРОНИЦАЕМОСТИ И КОНСТРУКТИВНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ ОГРАЖДЕНИЙ НА ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕ ЗДАНИЙ

05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005537938

Казань - 2013

005537938

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Казанский государственный архитектурно-строительный университет».

доктор технических наук, профессор Садыков Ренат Ахатович

Гагарин Владимир Геннадьевич

доктор технических наук, профессор, НИИ строительной физики Российской академии архитектуры и строительных наук, заведующий лабораторией строительной теплофизики

Гумеров Фарид Мухамедович

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет», заведующий кафедрой теоретических основ теплотехники

ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет», г.Нижний Новгород

Защита состоится «09» декабря 2013 г. в 15:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.077.01 на базе Казанского государственного архитектурно-строительного университета по адресу: 420043, г. Казань, ул. Зеленая, 1, КГАСУ, ауд. 3-203 (зал заседаний Ученого совета).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного архитектурно-строительного университета.

Автореферат разослан «07» ноября 2013 г.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Ученый секретарь диссертационного совета

Л.А. Абдрахманова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Известно, что энергопотребление зданиями и сооружениями составляет значительную долю от общего потребления энергии страны. При этом, потери теплоты зависят от архитектурного и конструктивного решений зданий теплозащитных свойств ограждений, климатических условий района строительства и поддерживаемых параметров внутреннего микроклимата.

Для создания энергоэффекгивных зданий необходимо правильно рассчитывать следить и анализировать их потребление энергии на всех этапах: разработки концепции (эскиза), проектирования, строительства и эксплуатации.

Однако нормативная литература не содержит методик, позволяющих учитывать взаимосвязь процессов, происходящих в ограждающих конструкциях (теплоперенос влагонакопление, фильтрация воздуха), определять эффективность применения того или иного энергосберегающего мероприятия, а также проводить анализ данных о потреблении энергии и находить фактические энергетические показатели здания. Этим определяется актуальность вопросов расчета и анализа энергопотребления зданий с учетом тепло- и массообменных процессов, протекающих в ограждающих конструкциях, наличия различных архитектурно-строительных элементов.

Целью работы является совершенствование методик расчета и анализа энергопотребления зданий путем интегрального учета влагосодержания, воздухопроницаемости и конструктивных особенностей ограждений.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

1. Разработать математическую модель и алгоритм расчета поля температур с учетом влагосодержания и поперечной фильтрации воздуха в многослойных ограждающих конструкциях.

2. По результатам аналитических и численных расчетов определить степень влияния на изменение температурного поля и сопротивления теплопередаче многослойных ограждающих конструкций таких параметров, как: влажность материалов и поперечная фильтрация воздуха (инфильтрация и эксфильтрация).

3. Разработать и испытать в лабораторных условиях систему мониторинга теп-ловлажностного состояния многослойных ограждающих конструкций. Определить характер распределения влажности по толщине ограждений.

4. Разработать методику выбора геометрических размеров элементов наружных стен зданий для выполнения расчета температурных полей.

5. Провести численные расчеты процесса теплопередачи отдельных элементов ограждающих конструкций зданий с целью определения удельных теплопотерь через

6. Разработать методику и провести анализ энергопотребления зданий с учетом реальных климатических условий для определения эффективности регулирования подачи и использования теплоты, фактических энергетических показателей здания.

Предмет и объект исследования. Предметом исследования являются процессы теплопереноса в многослойных ограждающих конструкциях с учетом их влажностно-го состояния и воздухопроницания, а также потребление тепловой энергии зданиями. Объектом исследования являются жилые здания и сооружения и их ограждающие конструкции.

Методы исследования. В работе применялись теоретические и экспериментальные методы исследования, статистические методы обработки данных. Компьютерное моделирование проводилось с использованием программного обеспечения МаШетаИса, ЕЬСиТ, 8(аПзИса, обработка экспериментальных данных и построение

графических зависимостей выполнялись в Microsoft Excel. Экспериментальные исследования проводились в климатической камере лаборатории «Строительная физика» кафедры «Проектирование зданий» КГАСУ по стандартным методикам с использованием современного специализированного аппаратного и программного обеспечения.

Научная новизна работы.

1. Разработана математическая модель процессов теплопереноса в многослойных ограждающих конструкциях с учетом интегрального влияния воздухопроницания и внутренних источников (стоков) теплоты. На основе модели предложена методика определения теплотехнических характеристик ограждающих конструкций, позволяющая определить долю каждой составляющей.

2. Разработан способ инструментального определения тепловлажностного состояния многослойных и однослойных ограждающих конструкций, позволяющий осуществлять непрерывный длительный мониторинг за их тепловыми и влажносгны-

ми характеристиками.

3. Экспериментальным путем получены зависимости распределения влажности по толщине ограждающей конструкции и зоны конденсации, что позволяет внести поправки в разработанную математическую модель.

4. Разработана методика выбора размеров конструктивных элементов ограждающих конструкций зданий для компьютерного моделирования температурных полей, позволяющая с высокой степенью точности определять значения удельных потерь теплоты через различные (линейные и точечные) теплотехнические неоднородности.

5. Разработана методика обработки данных, получаемых из систем учета тепловой энергии зданий, позволяющая на этапе эксплуатации: определять энергетические характеристики зданий, давать оценку эффективности использования энергии, а также применения того или иного энергосберегающего мероприятия.

6. На основании проведенного статистического анализа фактических климатических данных (температуры приземного воздуха) для условий г. Казани установлено увеличение среднемесячных температур воздуха для «зимних» месяцев за последние три десятилетия, что позволяет использовать полученные результаты в теплотехнических расчетах.

7. Предложена методика расчета энергетического эффекта от изменения температуры наружного или внутреннего воздуха, позволяющая рассчитывать эффективность применения различных энергосберегающих технологий при проектировании или эксплуатации зданий, а также учитывать реальные климатические условия.

Теоретическая и практическая значимость работы:

1. Разработана методика определения теплотехнических характеристик многослойных ограждающих конструкций, позволяющая учесть внутренние источники или стоки теплоты, а также поперечную фильтрацию воздуха.

2. По предложенной методике найдены удельные потери теплоты отдельных элементов строительных конструкций зданий.

3. На основании разработанной методики анализа данных об энергопотреблении получены эксплуатационные энергетические характеристики жилых зданий.

4. Результаты работы внедрены в учебный процесс при подготовке лекционных курсов, практических занятий, в курсовом проектировании бакалавров и магистров по направлению «Строительство», а также в проектной и производственной деятельности организаций.

Достоверность научных и экспериментальных результатов исследований, выводов и прикладных рекомендаций обоснована применением классических положений

теории тепломассопереноса, использованием при экспериментальных и численных исследованиях современных методов и средств измерения, аппаратов математического, статистического и компьютерного моделирования.

Реализация результатов.

Результаты диссертации использовались при выполнении НИР по договору №П/2-09 от 10 ноября 2009 г., НИОКР по теме №3 Программы инновационных проектов «Идея-1000» в номинации «Молодежный инновационный проект», фундаментальных исследований в соответствии с государственным заданием высшим учебным заведениям на 2012-2014 года в части проведения научно-исследовательских работ по номеру 7.5615.2011 с темой «Математическое моделирование процессов переноса в ограждающих конструкциях». Также, работа выполнялась в рамках двух грантов по реализации Федеральных целевых программ «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы: контракт № 14.В37.21.0336 от 29.07.2012 г. на тему «Разработка методов оптимизации режимов эксплуатации тепловых сетей и параметров теплоизоляции трубопроводов с целью энергосбережения и повышения энергоэффективности систем теплоснабжения» и контракт №14.В37.21.0296 от 30.07.2012 г. на тему: «Повышение эффективности работы тепло-генерирующих установок путем разработки и применения микропроцессорных комплексов и новейших когенерационных технологий». Основные результаты диссертационной работы использованы при теплотехнических расчетах ограждающих конструкций административных и жилых зданий в г.Казани.

Личный вклад автора состоит в постановке задач исследования, проведении численного анализа исследуемых процессов, участии в изготовлении и оснащении экспериментальной установки, проведении экспериментов, обработке и обобщении результатов экспериментальных исследований, выполнении расчетов температурных полей, разработке методик обработки данных об энергопотреблении и расчета энергетического эффекта, проведении статистического анализа климатических данных, формулировке выводов и заключения по диссертации.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на ежегодных республиканских и всероссийских научных конференциях по проблемам архитектуры и строительства (Казань, КГ АСУ, 2007-2013 г.г.), на Третьей Международной научно-технической конференции «Теоретические основы теплогазоснабже-ния и вентиляции» (Москва, МГСУ. 2009 г.), на X-XIII международных симпозиумах «Энергоресурсоэффективность и энергосбережение» (Казань, 2009-2012 г.г.), на XV Академических чтениях РААСН — Международной научно-технической конференции «Достижения и проблемы материаловедения и модернизации строительной индустрии» (Казань, КГ АСУ, 2010 г.), на III Всероссийской научно-технической конференции «Строительная теплофизика и энергоэффективное проектирование ограждающих конструкций зданий» в рамках Второго международного конгресса «Энергоэффективность. XXI век» (Санкт-Петербург, 2010 г.), на I1I-V Академических чтениях «Актуальные вопросы строительной физики: энергосбережение, надежность, экологическая безопасность», посвященных памяти академика РААСН Г.Л.Осипова (Москва, НИ-ИСФ, МГСУ, 2011-2013 г.г.), на 14-ой Международной конференции по компьютеризации в строительстве (Москва, 2012 г.). на открытых Web-семинарах (вебинарах) «Расчеты в строительстве при помощи пакета конечно-элементного анализа ELCUT 5.7» с темой «Расчеты при проектировании ограждающих конструкций» (26 мая 2010 г., http://elcut.ru/semiпаг/seminar strovka.htm). «Расчет приведенного сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций жилого дома» (12 апреля 2011 г., http://elcut.ru/seminar/seminar kraynov.htm).

За работу «Конструирование наружных ограждающих конструкций с учетом па-ропроницаемосги материалов», вошедшую в состав диссертации, автор удостоен в 2010 году звания победитель программы «50 лучших инновационных идей для республики Татарстан» в номинации «Молодежный инновационный проект», а также конкурсной программы «У.М.Н.И.К.» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере Министерства образования и науки РФ.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 29 работ, включая 6 научных статей в журналах, входящих в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий ВАК РФ, получен патент на изобретение РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, включая общие выводы, списков условных обозначений и литературы, пяти приложений. Общий объем работы составляет 216 страниц машинописного текста, в том числе 33 таблицы и 106 рисунков. Список литературы включает 176 наименований.

Автор считает своим долгом выразить особую благодарность научному руководителю, заведующему кафедрой «Теплоэнергетика» КГ АСУ, д.т.н., проф., заслуженному деятелю науки РТ Садыкову P.A., а также всему коллективу кафедры «Теплоэнергетика». Автор глубоко признателен заведующему кафедрой «Проектирование зданий», д.т.н., проф., член-корр. РААСН Куприянову В.Н. и заведующему лабораторией «Строительной физики» Сафину И.Ш. за предоставленную лабораторную базу, содействие в подготовке, проведении и обсуждении экспериментов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы.

В первой главе проанализированы работы отечественных и зарубежных ученых: Власова O.E., Мачинского В.Д., Франчука А.У., Фокина К.Ф., Ильинского В.М., Ушкова Ф.В., Лыкова A.B., Богословского В.Н., Гагарина В.Г., Козлова В.В., Перехо-женцева А.Г., Hens H., Straube J., Kong F. и др. Рассмотренные работы направлены, в основном, на изучение процессов, происходящих в ограждающих конструкциях: стационарный и нестационарный теплоперенос, увлажнение материалов, воздухопрони-цание, а также на разработку инженерных методов теплотехнических расчетов многослойных ограждающих конструкций зданий.

Рассмотрены основные нормативные методы расчета теплового и влажностного режимов, воздухопроницания ограждающих конструкций. Основным недостатком предложенных методик является то, что расчет каждого из режимов выполняется независимо друг от друга. Такого рода подход не позволяет учесть взаимовлияния процессов тепло- и массопереноса.

Проведенный анализ научных работ показал, что, несмотря на существующие различные методы расчета как влажностного, так и совмещенного темперагурно-влажностного режимов конструкций зданий, методики, заложенные в действующие нормативные документы, не позволяют с необходимой точностью рассчитывать влажностный режим ограждения, учитывать фильтрацию воздуха и определять теплозащитные характеристики теплотехнически неоднородных современных конструкций.

Поэтому при разработке математической модели теплопереноса в многослойных ограждающих конструкциях за основу принята обобщенная математическая модель, разработанная на кафедре «Теплоэнергетика» КГ АСУ, согласно которой уравнение стационарного нелинейного переноса с учетом фильтрации воздуха и наличия внутренних объемных стоков (влаги) или источников теплоты и общепринятых

допущений в одномерном случае применительно к каноническим формам может быть записано в виде неоднородного нелинейного обыкновенного дифференциального уравнения второго порядка:

(1)

где: 1(г) - температура; г — текуи/ая координата, г с [0;<5], <5 - толщина многослойной ограждающей конструкции; к - коэффициент теплопроводности (возможно с учетом ее объемной пористости); Г - постоянная формы (Г=1; 2; 3 - соответственно неограниченные пластина, цилиндр или квадратный брусок, шар или куб); ср -изобарная теплоемкость паровоздушной смеси; б - тотность потока паровоздушной смеси, здесь «+» означает процесс эксфильтрации, «-» — инфильтрации паровоздушной смеси; (¡¡{¡) - мощность внутреннего объемного источника (+) или стока (-) теплоты; «'» (верхний индекс) — дифференцирование по г.

Если qv(t)—const, то в рассматриваемой области термических сопротивлений действует непрерывный равномерно распределенный положительный или отрицательный источник теплоты. Если д,{0фсоп51, то в этой области действуют местные, сосредоточенные или неравномерно распределенные положительные или отрицательные источники теплоты.

На основе обобщения и анализа известных научных результатов было выбрано направление, сформулирована цель, и поставлены задачи исследований.

Вторая глава посвящена разработке физико-математической модели процессов переноса в ограждающих конструкциях и численным исследованиям изменения температурных полей ограждающих конструкций с учетом интегрального влияния внутренних стоков (источников) теплоты и фильтрации воздуха.

В диссертации рассмотрен один из возможных вариантов аналитического решения краевой задачи (1) для плоских ограждающих конструкций (Г=1) и постоянных параметров переноса. В этом случае уравнение (1), после использования интегрального преобразования Кирхгофа, критериев подобия для параметров переноса, безразмерных температуры (0) и термического сопротивления (/? ), сводится к формализации следующей краевой задачи:

^ + Ре™ + Ро = 0, (2)

сШ (IЛ

®1«=о = 1' (3)

,®1Я.,=0. (4) ^ _^ _ ^ _

где: © =-0е[О;1],- Л = —, Ле[0;1]; Ре = срЫ\ - критерий Пекле;

Л»

Ро = -- - критерий Померанцева.

Критерий Пекле (Ре) характеризует соотношение конвективного и молекулярного переносов теплоты в потоке, а критерий Померанцева (Ро) характеризует отношение мощности источника теплоты в единице объема к количеству теплоты, переносимому в этом объеме через единицу поверхности с характерным размером <5.

При Ре<О происходит инфильтрация в ограждающей конструкции, при Ре>0 — эксфильтрация, при Ре=0 - фильтрация воздуха отсутствует. При Ро<0 действует сток

теплоты, при Ро>О - положительный источник теплоты, при Ро-О - источник теплоты отсутствует.

Постановка задачи в виде (2)44) сводит расчет полей температур в многослойной ограждающей конструкции к более удобному расчету полей температур в однослойном ограждении и одновременно решает вопрос масштабного перехода для практических (реальных зданий и сооружений) задач переноса.

Аналитическое решение краевой задачи (2)-(4) получено в виде:

г-"-\ { Ре) РеХ '

которое охватывает многочисленные комбинации вышеперечисленных частных случаев параметров переноса (Ре, Ро) при заданных условиях однозначности.

Таким образом, в зависимости от знака и величины Ре и Ро имеем различные математические модели, отражающие соответствующие им физические процессы.

Графические зависимости ©(/?) при некоторых значениях Ре и Ро представлены на рис. 1. Из формулы (5) и рис. 1 видно, что при определенных условиях два противоположных процесса (с точки зрения переноса теплоты): инфильтрация и источник теплоты или эксфильтрация и сток теплоты могут компенсировать друг друга (Р0=.Ре). В этом случае ® изменяется по линейному закону, т.е.0 = 1-Я (случай стационарного переноса теплоты без влияния фильтрации воздуха и источников теплоты).

рс

_____- -з

1.0

0.0 Я "

а) б)

Рис. 1. Изменение безразмерной температуры по толщине стенки при различных физических процессах в ограждающей конструкции: а) 1 - инфильтрация (-3<Ре<0.01: Ро=0): 2- инфильтрация (-3<Ре<0.01) и источник те/поты (Ро=3); 3 - инфильтрация (-3<Ре<0,01) и сток теплоты (Ро = -3); б) 1 - эксфильтрация (0.01<Ре<3; Ро^О); 2 - эксфильтрация (0.01<РейЗ) и источник теплоты (.Ро=3);3 - эксфильтрация (0,01<Ре<3) и сток теплоты (Ро=-3)

При отсутствии фильтрации воздуха (Ре=0) решение краевой задачи (2)-(4) записывается в виде:

(6)

На рис. 2 представлены графические зависимости 0(Л) при-6<Ро<6. При значениях Ро=0 имеем линейный закон изменения ©(Л).

Из рис. 2 видно, что в зависимости от критерия Ро температура стенки может быть заметно больше первоначальной максимальной температуры поверхности стенки (при Ро>2) и заметно меньше первоначальной минимальной температуры поверхности (при Ро<-2), что объясняется мощностью источника теплоты.

Исходное уравнение (1) при переменных параметрах переноса [Х(0, Ре(1), Ро(0] и краевых условиях различного рода (возможно смешанных и нелинейных), учитывающих поверхностные источники (стоки) теплоты, в наиболее общем случае решается численными или приближенными методами решения дифференциальных уравнений, а при определенных условиях этих параметров — оно может быть

сведено к решению линейного неоднородного диф- температуры по толщине стенки ференциального уравнения «-го порядка (в нашем при -6<Ро<6

случае — второго) с переменными коэффициентами вида:

('У0 м=/('>. (?)

/=0

где: а0=1.

Таким образом, в зависимости от влагосодержания, структуры капиллярно-пористых материалов, теплофизических характеристик ограждающей конструкции и др. факторов функция /(Я) может быть подобрана как частный случай выражения:

/(/•) = Ч,,(г) = ес"[РАг)со*рг + дш(г)!.трг), (8)

где: Ре(Р) и (2т(Ю - соответственно полиномы степени е и т с неопределенными коэффициентами; а и р~ постоянные коэффициенты.

В третьей главе представлено комплексное экспериментальное исследование основных тепловых характеристик опытных ограждающих конструкций и характера распределения влажности по толщине ограждения.

Для проведения работ применялась климатическая камера (рис. 3). Стенки климатической камеры выполнены из сендвич панелей. Она имеет две герметичные двери. Камера была дооснащена внутренней разделительной перегородкой и приборами для поддержания заданных параметров микроклимата в холодном и теплом отсеках, настроены режимы работы оборудования.

Для определения распределения влажности по толщине конструкции был разработан и опробован способ измерения теп-ловлажиостного состояния ограждающей конструкции, основанный на использовании аппаратного обеспечения известных производителей (ТЕРЕМ-3.2, ИТП-МГ 4.03-10 «Поток» и др.), позволяющий осуществлять непрерывный мониторинг за состоянием ограждающей конструкции. Способ заключается в следующем: для установ-

Рис. 3. Схема климатической камеры: 1 - холодныхI отсек; 2 — теплый отсек; 3 —холодильный агрегат; 4 — нагревательное устройство; 5 — разделительная перегородка; 6 — испытуемая конструкция или материал; 7, 8 — герметичные двери в холодный п теплый отсеки

ки датчиков в стенке высверливаются отверстия диаметром 10-=-15 мм на различную глубину в зависимости от необходимого количества измеряемых точек. В полученные отверстия устанавливаются датчики прибора. Вокруг датчика оставляется небольшая воздушная полость, остальная часть отверстия с выходящим от датчика проводом заполняется материалом, из которого изготовлена ограждающая конструкция. На поверхности стены выполняется плотная заделка отверстия. Датчики подключаются к измерительному комплексу, который позволяет:

- регистрировать температуру и относительную влажность воздуха в порах материалов во временной области;

- задавать режим работы: время запуска, продолжительность регистрации, период «опроса» датчиков;

- сохранять полученную информацию.

Обработка результатов измерений предполагает использование расчетных формул для определения максимального парциального давления водяных паров (ГОСТ 8.524-85) и базы данных кривых сорбций строительных материалов для расчета влаго-содержания по толщине ограждающей конструкции.

С использованием описанного выше способа в климатической камере были испытаны два типа опытных ограждающих конструкций. Цель экспериментов - определение тепловлажностного состояния многослойных конструкций при различных температурах наружного воздуха (моделирование так называемых «волн холода»). Результаты испытаний представлены на рис. 4, где изображены распределения температуры и относительной влажности воздуха в порах материалов по толщине конструкций для различных температур в холодном отсеке климатической камеры.

Сплошной линией показаны графики экспериментальных данных при /„= -32 °С, пунктирной - при /„= -20 °С, штрих-пунктирной - при /„= -11 °С.

Таким образом, в лабораторных условиях получилось воспроизвести так называемые «волны холода» различной температуры и продолжительности, существование которых характерно для реальных условий зимнего периода.

Рис. 4. Распределение температуры и относительной влажности по толщине опытных конструкций: 1 — штукатурка; 2 — кладка из силикатного кирпича; 3 - минеральная вата

Для проверки разработанного инструментального способа определения влажности были проведены исследования по определению влажностного режима стеновой конструкции со слоем изоляции по стандартным методикам (ГОСТ 12730.2-84, ГОСТ 24816-81) путем отбора проб. По итогам измерений построены регрессионные кривые изменения влажности в масштабе толщин и термических сопротивлений слоев, уравнения которых приведены на рис. 5. Данные кривые описывают характер распределения влажности по толщине каждого слоя, и могут быть использованы в качестве функции вида (8).

о Ш. ..............^ • X / ч ш .

> я

».3 0.35 Толщина, м;

со, = -57,97х + 12,42х + 1,33 <а2 = -6,27х+2,81

■°С/8т|

-43,88В? + 10,8К + 1,33 о>2 = -0,26К+1,32 б)

ОкотиуД проем

Наружная стана

Рис. 5. Результаты измерения влажности по толщине конструкции.

Точки — экспериментальные данные; пунктирные линии - регрессионные линии для каждого слоя; уравнения — законы распределения влажности в масштабе толщ ин слоев (а) и их термических сопротивлений (б): 1 - силикатный кирпич; 2 - минеральная вата

Использование разработанной методики инструментального непрерывного мониторинга за влажносгным и тепловым состоянием ограждающей конструкции в ходе эксплуатации зданий может явиться частью комплексного обследования здания, включающего в себя его анализ на энергопотребление (энергоаудит), прочность и долговечность.

Четвертая глава работы посвящена численным расчетам температурных полей элементов ограждающих конструкций и разработке методики выбора их геометрических размеров для определения удельных потоков теплоты.

Для этого на примере одного из конструктивных элементов наружной оболочки здания — бокового оконного откоса (рис. 6), определялось, насколько величина дополнительного потока теплоты зависит от выбранных для расчета температурных а) полей геометрических размеров участка стены, вошедшего в элемент.

Размер участка стены, вошедшего в рассматриваемый элемент - а. Размер оконного откоса - Ь. Величина Ь является постоянной для данного элемента (Ь = 0,6 м). Величине а задавались различные значения в пределах от 0,5 м до 5 м (0,5 м; 1 м; 1,5 м; 2 м; 3 м; 5 м; А/2). Для выбранных геометрических значений выполнен расчет температурных полей элемента фрагмента ОК при стационарных условиях теплопередачи и граничных условиях третьего рода с использованием программы ЕЬСиТ.

Граничные условия для расчета температурных полей приняты следующие:

- внутренняя сторона: /„ = 20 °С, астет = 8,7 Вт/м2 оС, а„кш, = 8 Вт/м2 °С;

б)

Рис. 6. Расчетный участок: а) схема стены; б) сечение 1-1

- наружная сторона: 1„ = -32 °С, ашет - о.„кт = 23 Вт/м -°С.

В результате анализа распределения температуры на внутренней поверхности участка стены а (рис. 7) установлено, что температура на внутренней поверхности стены вдали от оконного откоса остается постоянной и равна = 18,92 °С. По мере приближения к откосу — температура возрастает до 1т = 19,8 °С. Возрастание температуры на внутренней поверхности участка стены начинается на расстоянии 2,3 м от оконного откоса, поэтому этот размер принят в качестве базового. Область конструкции, в пределах которой происходит искажение температурного поля (линии равной температуры располагаются не параллельно друг другу), называется зоной влияния данной теплотехнической неоднородности. Определить зону влияния можно по температуре на внутренней или наружной поверхности или же по толщине конструкции. Способ определения зоны влияния зависит от вида, теплотехнической неоднородности.

$> 19.9

£ 19.8 ¡5 19.7 с^ 19.6 ,2 19.5 19.4 19.3 19.2 19,1 19 18.9 18.8

. I

V '

—

пп

........... а=1 щ а=2 3 т а=3 /

— т а- —^ 5т —

0.5

1

1.5

2.5

3 3.5 4 4.5 5

Расстояние от оконного откоса, м

Рис. 7. Распределение температуры на внутренней поверхности участка стены при различных

значениях величины а

Результаты расчетов (рис. 8-9) показали, что значительное увеличение геометрических размеров элемента (участка стены), хотя и обеспечивает заданную точность, но приводит к усложнению решения. Дополнительный поток теплоты, проходящий через элемент с участком стены недостаточного размера, соизмерим (35-69 %) с потоком теплоты через условную конструкцию тех же размеров. Данный факт может привести к погрешностям в дальнейших расчетах. Соответственно, оптимальным для расчета температурных полей будет размер элемента равный зоне влияния данной теплотехнической неоднородности.

3.40

§ 3.35

= г

2Й 3.30

| К 3.25

И Я?П

Й *

ь 315

ч

2 3 4 5

Расстояние от оконного откоса, м

Рис. 8. Зависимость потока теплоты от размера участка стены

з.ю

1

¡ 3 4 5 6 Расстояние от оконного откоса, м

Рис. 9. Зависимость дополнительного потока теплоты от размера участка стены

В связи с этим, разработана методика выбора размеров элементов ограждающих конструкций для расчета температурных полей и определения проходящих через них удельных потоков геплогы, которая состоит из следующих шести этапов:

1. Выделение из фрагмента ограждающей конструкции элемента с заведомо большим участком стены;

2. Расчет температурного поля выбранного элемента:

3. Определение области, в пределах которой линии равной температуры располагаются не параллельно друг другу;

4. Расчет потока теплоты, проходящего через элемент определенного в п.З размера;

5. Расчет потока теплоты, проходящего через условную ограждающую конструкцию тех же размеров:

6. Расчет дополнительного потока теплоты, проходящего через рассматриваемый элемент ограждающей конструкции, и удельных дополнительных потерь теплоты, обусловленных элементом.

В следующей части проверялось предположение о рассмотрении выделяемых из ограждающей конструкции элементов независимо друг от друга при любом их взаимном расположении. Для этого выполнялся расчет температурных полей нескольких близлежащих элементов (рис. 10), и проводился анализ их совместного воздействия на дополнительный поток теплоты. Результаты расчетов показали. что влияние совокупности нескольких элементов ограждающей конструкции на дополнительный поток теплоты через рассматриваемый узел равно сумме влияний отдельных элементов, составляющих его. Относительная погрешность вычислений не превысила 4 %. Однако, для расчета температуры на внутренней поверхности в зоне теплотехнических неоднородностей необходимо рассматривать совокупность конструктивных элементов, так как возможно заметное их тепловое влияние друг на друга.

По предложенной методике и элементному подходу к расчету приведенного сопротивления теплопередаче фрагмента ограждающей конструкции (СП 50.13330.2012) проведена оценка доли различных элементов фасада жилого здания от общего удельного потока теплоты. Результаты расчетов показали, что удельные потери теплоты через отдельные элементы фасада (0.096 Вт/м2 оС) сопоставимы с удельными потерями теплоты по глади конструкции (0,181 Вт/м2оС). Величина суммарных дополнительных теплопотерь через линейные и точечные элементы может составлять более 50 % от общих теплопотерь через фасад здания.

Подобные расчеты позволяют выделить наиболее проблемные (с теплотехнической точки зрения) конструктивные элементы и выработать практические рекомендации по их усовершенствованию.

Кроме того, расчет температурных полей различных конструктивных элементов оболочки здания позволяет создать банк данных (каталог), содержащий значения удельных потерь теплоты через элементы, характерные для конкретных типов зданий.

Оконный проем Наружная стена

Шузел из двух боковых откосов и простенка

Шузел. состоящий из нижнего откоса, ыежэтажнего перекрытия и верхнего откоса

Рис. 10. Расчетная схема совместного действия нескольких элементов ограждающей конетткиии

Пятая глава посвящена определению энергетических параметров здания на этапе эксплуатации. Для этого произведена оценка энергопотребления здания за отопительный период, разработана методика обработки данных, получаемых из систем учета, создана методика расчета и проанализированы значения энергетического эффекта от изменения температур наружного или внутреннего воздуха, для чего выполнен анализ многолетних климатических данных для условий г. Казани.

В первой части разработана методика обработки данных об энергопотреблении здания, получаемых из систем учета тепловой энергии. Исходными данными для анализа являются:

1. Количество потребленной энергии зданием за рассматриваемый промежуток времени с заданной периодичностью (например, за месяц с ежедневными данными или за отопительный период с ежемесячными данными), (У™, кВт-ч/сут, или О"^, кВт-ч/месяц;

2. Средние температуры наружного воздуха с рассматриваемой периодичностью, ,°С, (например, ежедневные), получаемые либо из приборов учета в тепловом пункте здания, либо по данным метеорологических служб.

Методика анализа данных об энергопотреблении заключается в следующем:

1. По исходным данным строятся графические зависимости ) и

дГ(гсоп).

2. Выполняется регрессионный анализ массивов данных: строится линия регрессии, находится квадрат коэффициента корреляции (Л2), определяется уравнение линии регрессии в виде:

а1:"=й„„'^со//+е,„„ (9)

и

где: ()от — относительный расход тепловой энергии на отопление и вентиляцию здания, кВтч/(°Ссут.); ();,„„ — дополнительный расход тепловой энергии, кВт-ч/период.

3. Выбираются периоды с хорошей корреляцией (Л2>0,85). Строится единая модель для этого (базового) периода. Считается, что модель энергопотребления здания за весь отопительный период совпадает с найденной моделью для базового периода.

4. С использованием параметров найденной модели определяется удельная характеристика расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию здания, (/„,„, в кВтч/(м3оСсут.) по формуле:

<7™=^ (П)

или в Вт/(м3°С) по формуле:

О. (12)

0,024 •

где: У„т — отапливаемый объем здания, м3.

Полученное значение 1]0„, сравнивается с нормативным. 5. Рассчитывается величина отклонения затраченной теплоты от модели: А() = (У™ -О^,'. Сумма отклонений за базовый период должна получиться равной нулю. Суммы отклонений за каждый из остальных месяцев покажут количество теплоты, избыточно или недостаточно относительно модели переданное в здание.

Октябрь 2012 - Март 2013

Янаарь-Мэрт » Цв.абрь А Ноябрь

♦ Октябрь

— Модель lafiaioBbW период

-20

6. Выполняется анализ потребления теплоты на горячее водоснабжение здания.

7. Осуществляется корректировка полученной модели.

8. Рассчитываются пределы возможного изменения температуры воздуха в помещениях здания за анализируемый период. Проверяется ее соответствие нормативным значениям.

9. Оцениваются продолжительности градации температуры наружного воздуха.

10. Выдаются рекомендации по настройке систем регулирования подачи теплоты.

Данная методика была апробирована на 9-ти этажном жилом здании (г. Казань,

ул. Калинина, 69). Приборы учета определяли теплоту совместно на отопление и горячее водоснабжение.

Расчеты показали, что величина удельной характеристики здания удовлетворяет требованиям по тепловой защите (СП

50.13330.2012). Однако здание потребляло излишнее количество теплоты на отопление и вентиляцию (около 25 МВт-ч или 22 Гкал за период с ноября 2012 по март 2013, что при стоимости тепловой энергии 1300 руб./Гкал составляет 28 тыс. руб.). Вероятнее всего, это излишнее количество теплоты привело к увеличению температуры в помещениях здания (рис. 11-12).

Во второй части для определения влияния реальных климатических условий на теплотехнические расчеты ограждающей конструкции были проанализированы ежегодные данные. Использовались специализированные данные для температуры приземного воздуха с метеорологической станции № 27595 г. Казани (архив оперативных климатических наблюдений для исследований Всероссийского научно-исследовательского инсти-

10 0 -10 Наружная температура, "С

Рис. 11. Модель потребления тепловой энергии зданием

Октябрь 2012 - Март 2013

Рис. 12. Результаты анализа: 1 - вероятная г,: 2 — теплота на отопление: 3 — средняя /,„' штрихпунк-тирные линии - пределы нормативной допустимой t„ для жилых зданий

тута гидрометеорологической информации - Мирового центра данных (ВНИИГМИ-МЦЦ). С помощью статистической обработки результатов наблюдений за период 1900-2010 г.г. получены регрессионные линейные модели изменения среднемесячной температуры наружного воздуха для каждого месяца.

Анализ полученных моделей показал, что коэффициенты при независимой переменной (год выборки) имеют положительные значения для всех месяцев года, а также для среднегодовой температуры воздуха. Соответственно, найденные функции регрессии являются возрастающими. При этом интенсивности возрастания температуры неодинаковы для разных месяцев. Так, например, предсказанная среднемесячная температура января за 100 лет возросла на 2.3 "С. Малые величины коэффициента детерминации (0,02-0,115) для каждого месяца указывают на большой разброс ежегодных

значений, что характерно для климатических данных. Диапазон между минимальным и максимальным значениями температур для рассматриваемого периода колеблется от 9,3 °С (август) до 19,2 °С (февраль) (рис. 13).

Проведенный расчет осреднения данных за каждое десятилетие рассматриваемого периода (рис. 14), а также более длительные сроки, позволил установить, что температура в зимние, а также в осенне-весенние месяцы за последние тридцать лет возрастает, что согласуется с результатами корреляционно-регрессионного анализа. Превышение фактической среднемесячной температуры для зимних месяцев над нормативной (СНиП 23.01.99*) составляет: за последнее десятилетие (2000-2010 г.г.) от 2,2 °С до 4,9 °С, за последние три десятилетия - от 2 °С до 3,4 °С. Данный факт необходимо учитывать при выполнении теплотехнических расчетов ограждающих конструкций зданий и определении энергопотребления на этапе проектирования.

и Ат

г4

• Пиша

; 254-75* X

Рис. 13. Диапазоны среднемесячных температур наружного воздуха за период 1900-2010г.г. для г. Казани

Рис. 14. Среднемесячные температуры наружного воздуха за каждое десятилетие периода ¡900-2010 г.г. для г. Казани

В третьей части определялось, в какой степени уточнение расчетных нормативных климатических условий, а также регулирование подачи теплоты системами обеспечения параметров микроклимата влияет на изменение величины необходимой энергии на отопление здания. Для расчета указанного изменения введена величина А характеризующая уточнение расчетных (нормативных) значений или изменение температуры наружного воздуха в течение рассматриваемого периода времени (суток, недели, месяца и т.д.). Также введена величина характеризующая возможность изменения поддерживаемой температуры воздуха в помещении (начичие систем автоматизированного поддержания параметров микроклимата).

Тогда величина общих теплопотерь здания за рассматриваемый период времени, кВт-ч/период. с учетом изменившихся температур внутреннего и наружного воздуха может быть найдена по формуле:

б* = 0- «24 • ((<. + Д/.) ■- (/,,с, + К ))■-"■ ■

(13)

О* = 0.024 ГСОП' - У - 'I

(14)

где: 1„ср - средняя температура наружного воздуха рассматриваемого периода. "С: г - продолжительность рассматриваемого периода, сут./пер.; ГСОП* - градусе-

сутки рассматриваемого периода отопления с учетом изменившихся температур внутреннего и наружного воздуха, (°С-сут.)/пер., равные:

ГСОП' = (г. - ) • г + (М, - А1„) ■ г = ГСОП + АГСОП , (15)

где: Аф-, - площадь 1-го фрагмента ограждающей конструкции здания, м2; К* - приведенное сопротивление теплопередаче ¡-го фрагмента ограждающей конструкции, м2-°С/Вт.

Из отношения величин энергопотребления за рассматриваемый период времени без учета и с учетом изменений температур внутреннего и наружного воздуха получим:

Q* = Q■{\ + N), (16)

где: N — эффект изменения энергопотребления (энергетический эффект), вызванный изменением температур наружного и внутреннего воздуха. Определяется по формуле:

ГСОП

г., - г..

Из отношения (17) видно, что величина N не зависит от продолжительности рассматриваемого периода. N зависит от назначения помещения или здания (4), от текущей (или средней) температуры наружного воздуха (?„ ф ), а также величин изменений температуры внутреннего и наружного воздуха.

При поддержании в помещении постоянной температуры в течение заданного периода времени (А1„=0) N будет зависеть от трех параметров. Для оценки удобно зафиксировать А/„==1 "С. На рис. 15-16 построены зависимости N(1,) для различных 1„ и N(1,) для различных /„.

18% 16% 14% 12% ^ 10% * 0% 6% 4% 2% 0%

15 Ю 5 0 -5 -10 -15 -20 -25 -30 -35 -40 -45 в«, «С

Рис. 15. Зависимость N(1,) для различных Г, при А1„=1 °С и Аге=0 °С

______

18 .......

?П ......

22 \\

24 ...... ...... ... ...... .....

26. ......

-----1-

14% 12% 10% 8% 6% 4» 2% 0%

10

\

5

0

-5

—-25-

! 1

14

16

1в

26

20 22 1в, "С

Рис. 16. Зависимость N(1,) для различных !„ при А1Н=1 °СнА(в=0 °С

Зависимость N(1,) является гиперболической при любых значениях (рис. 15). При этом эффект от изменения температуры воздуха на 1 градус более заметен при более высоких температурах наружного воздуха (от -15 °С до +10 °С) - в наиболее продолжительный промежуток отопительного периода.

Для зданий различного назначения имеет место разная величина N. при этом, большая для тех зданий, где поддерживается более низкая температура воздуха. Однако, при пониженных значениях ?„ (ниже -20 °С) эффект становится мал (около 2%) и практически не зависим от 1„.

При изменении температуры не на один градус, а на п, получается эффект, отличающийся в п раз. Например, для жилого здания (/„=20 °С) при /„=0 °С изменение /„ на каждый градус приводит к изменению теплового потока на 5 % (рис. 15). Соответственно, изменение 1„ на пять градусов изменит тепловой поток в 5 раз (на 25%).

Применение данной методики для рассчитанного ранее повышения температуры наружного воздуха для месяцев с ¿,<8 °С (октябрь-март), приведет к уменьшению необходимой теплоты на отопление (при /„=20 °С) для этого периода в среднем на 8 %.

В заключении диссертационной работы дана общая характеристика результатов проведенных исследований и основные выводы.

В приложении представлены конкретные результаты исследований тепловых и влажностных характеристик материалов, численных исследований, а также документы, подтверждающие практическую значимость полученных в работе результатов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана в критериальном виде математическая модель процесса тепло-переноса в многослойных ограждающих конструкциях, позволяющая независимо от масштабов исследуемого объекта и направления потоков:

- рассчитывать поля температур, интегральные температуры, тепловые потоки, а также различные коэффициенты переноса (теплоотдачи, теплопередачи, термического сопротивления) и др. производные характеристики с учетом их влагосодержания и поперечной фильтрации;

- учитывать в расчетах полей переноса теплоты изменение теплофизических характеристик от толщины многослойной ограждающей конструкции или ее термического сопротивления.

2. Разработан способ измерения тепловлажностного состояния многослойных ограждающих конструкций, позволяющий осуществлять непрерывный мониторинг их тепловых и влажностных характеристик.

3. Выполнены экспериментальные исследования различных многослойных ограждающих конструкций в климатической камере с целью определения зоны конденсации. Получены функции распределения влагосодержания по толщине, позволяющие уточнить разработанную физико-математическую модель.

4. Разработана методика выбора геометрических размеров элементов наружной оболочки здания для расчета температурных полей. С ее использованием получены значения удельных дополнительных потерь теплоты через различные (линейные и точечные) теплотехнические неоднородности ограждающих конструкций выбранного здания, которые сопоставимы с удельными потерями теплоты по глади конструкции.

5. Определено, что для расчета температур на внутренней поверхности в зоне теплотехнических неоднородностей необходимо рассматривать совокупность прилежащих элементов, так как возможно их тепловое взаимовлияние друг на друга.

6. Разработана методика анализа данных о потреблении тепловой энергии зданиями, которая позволяет на этапе эксплуатации получать их тепловые хараетеристи-ки (удельную характеристику расхода тепловой энергии, коэффициент эффективности авторегулирования подачи теплоты), вырабатывать целевые модели энергопотребления, определять эффективность работы систем управления подачи теплоты.

7. Проведен анализ климатических данных г. Казани за период 1900-2010 г.г., на основании которого установлено возрастание температуры воздуха в зимние и осенне-весенние месяцы за последние десятилетия и превышение фактической среднемесячной температуры для зимних месяцев за 2000-2010 г.г. над нормативной на 2,2-4,9 °С.

8. Разработана методика расчета энергетического эффекта, вызванного изменением температуры наружного или внутреннего воздуха. Показано, что такое изменение приводит к заметному изменению теплового потока на отопление в интервале

наружных температур от -15 °С до +10 °С, что существенно отражается на зданиях, где температура внутреннего воздуха поддерживается в пределах 16-К22 °С.

9. Результаты работы реализованы в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров по направлению «Строительство», а также в проектной и производственной деятельности организаций.

Основные положения диссертации опубликованы в 29 работах, в том числе:

В изданиях, входящих в перечень eedyufux рецензируемых научных журналов и изданий,

рекомендованных ВАК РФ:

1. Крайнов, Д.В. Расчет дополнительных теплопотерь через теплопроводные включения ограждающих конструкций (на примере узла оконного откоса) / Д.В. Крайнов, И.Ш. Сафин, A.C. Любимцев // Инженерно-строительный журнал. — 2010. — №6(16). -С. 17-22.

2. Крайнов, Д.В. Влияние влагосодержания на теплозащитные свойства ограждающей конструкции из ячеистого бетона / Д.В. Крайнов, P.A. Садыков // Научно-технический журнал Вестник МГСУ. - 2011. -№3. Т.1. - С. 404-410.

3. Садыков, P.A. Теплозащитные свойства ограждающих конструкций при наличии стоков или источников теплоты и фильтрации воздуха / P.A. Садыков, Д.В. Край-нов, Р.В. Иванова // Научно-технический журнал Вестник МГСУ. - 2011. - №7. - С. 174-180.

4. Крайнов, Д.В. Определение дополнительных потоков теплоты через элементы фрагмента ограждающей конструкции / Д.В. Крайнов, P.A. Садыков // Жилищное строительство. - 2012. - №6. - С. 10-12.

5. Енюшин, В.Н. О влиянии излучательной способности поверхности исследуемого объекта на точность измерения температур при тепловизионном обследовании / В.Н. Енюшин, Д.В. Крайнов // Известия КГ АСУ. - 2013. - №1(23). - С. 99-103.

6. Крайнов, Д.В. Методика расчета энергетического эффекта от изменения температуры наружного или внутреннего воздуха / Д.В. Крайнов, P.A. Садыков // Жилищное строительство. -2013. -№10. - С. 40-45.

Документы интеллектуальной собственности (авторские свидетельства, патенты):

7. Правник, Ю.И. Способ определения коэффициента теплопроводности сверхтонких жидких теплоизоляционных покрытий / Ю.И. Правник, P.A. Садыков, Р.В. Иванова, И.О. Манешев, Д.В. Крайнов, Э.В. Адаев // Патент на изобретение РФ №2478936 от 10.04.2013.

Подписано к печати «06» ноября 2013 г. Формат 60x84/16 Печать RISO Объем 1.0 п.л. Заказ № 487 Тираж 100 экз.

Отпечатано в полиграфическом секторе Издательства КГ АСУ. 420043, Казань, ул. Зеленая, д.1.

ФГБОУ ВПО «Казанский государственный архитектурно-строительный

университет»

Крайнов Дмитрий Владимирович 04201365917

Моделирование и оценка интегрального влияния влагосодержания, воздухопроницаемости и конструктивных особенностей ограждений на энергопотребление зданий

05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

На правах рукописи

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подпись соискателя

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Садыков Р.А.

Казань-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОГЛАВЛЕНИЕ....................................................................................................................................................................................................................................................................2

ВВЕДЕНИЕ................................................................................................................................................................................................................................................................................5

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ В ОБЛАСТИ ИССЛЕДОВАНИЯ И МЕТОДОВ

ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКОГО РАСЧЕТА ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ......................................................15

1.1. Анализ видов современных стеновых ограждающих конструкций зданий и сооружений..................................................................................................................................................................................................................................................................16

1.1.1. Трехслойные панели на гибких связях......................................................................................................................................18

1.1.2. Несущие и ненесущие стеновые конструкции с облицовкой из кирпичной кладки......................................................................................................................................................................................................................................................................21

1.1.3. Фасадные системы с тонким штукатурным слоем................................................................................................24

1.1.4. Навесные фасадные системы с вентилируемой воздушной прослойкой........................27

1.1.5. Металлические панели с эффективным утеплителем (сендвич панели)..........................31

1.2. Тепловой режим современных ограждающих конструкций....................................................................................33

1.2.1. Теплотехнические неоднородности ограждающих конструкций современных зданий и сооружений....................................................................................................................................................................................................................33

1.2.2. Приведенное сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции....................37

1.2.3. Методики расчета приведенного сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции..................................................................................................................................................................................................................................................39

1.2.4. Современное программное обеспечение для расчета температурных полей..........44

1.2.5. Определение приведенного сопротивления теплопередаче наружных ограждений зданий в натурных условиях................................................................................................................................................46

1.3. Факторы, влияющие на значение приведенного сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции..............................................................................................................................................................................................................47

1.4. Влажностный режим ограждающих конструкций....................................................................................................................48

1.4.1. Механизмы переноса влаги в ограждении..........................................................................................................................51

1.4.2. Методы расчета влажностного режима наружных ограждений....................................................52

1.4.3. Экспериментальные исследования влажностного режима наружных ограждений....................................................................................................................................................................................................................................................54

1.5. Воздухопроницание ограждающих конструкций........................................................................................................................55

1.5.1. Воздухопроницание различных видов ограждающих конструкций и методы

его расчета......................................................................................................................................................................................................................................................59

1.5.2. Экспериментальные исследования воздухопроницания наружных ограждений 60 Выводы по Главе 1........................................................................................................................................................................................................................................................61

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕНОСА В ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЯХ................................................................ 63

2.1. Математическая формулировка процесса теплопередачи с учетом влагосодержания

и воздухопроницания................................................................................................................. 64

2.2. Теплопередача через плоскую стенку при фильтрации воздуха и равномерно распределенном источнике теплоты........................................................................................ 68

2.3. Решение уравнения теплопередачи с учетом воздухопроницания и стоков (источников) теплоты в критериальном виде.......................................................................... 70

2.4. Решение уравнения стационарной теплопередачи при фильтрации воздуха и неравномерно распределенном источнике (стоке) теплоты.................................................. 76

2.5. Определение плотности теплового потока и коэффициента теплопередачи................ 81

Выводы по Главе 2............................................................................................................................ 83

ГЛАВА 3. КОМПЛЕКСНОЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ТЕПЛОВЛАЖНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ........... 84

3.1. Описание экспериментальной установки......................................................................... 84

3.2. Методика проведения экспериментальных исследований............................................. 91

3.3. Экспериментальное исследование тепловлажностного состояния ограждающих конструкций................................................................................................................................ 91

3.3.1. Экспериментальное исследование стеновой конструкции типа 1....................... 93

3.3.2. Экспериментальное исследование стеновой конструкции типа 2....................... 100

3.3.3. Экспериментальное исследование стеновой конструкции типа 3....................... 112

3.4. Экспериментальное исследование распределения влажности по толщине ограждающей конструкции....................................................................................................... 122

Выводы по Главе 3............................................................................................................................ 125

ГЛАВА 4. ЧИСЛЕННЫЕ РАСЧЕТЫ ТЕПЛОЗАЩИТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕМЕНТОВ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ................................................................... 126

4.1. Анализ геометрических размеров элементов фрагмента ограждающей конструкции 126

4.1.1. Выбор геометрических размеров элементов фрагмента ограждающей конструкции для нахождения дополнительного потока теплоты.................................. 128

4.1.2. Анализ совместного действия нескольких элементов фрагмента ограждающей конструкции на дополнительный поток теплоты............................................................ 133

4.2. Методика определения дополнительного потока теплоты через элемент фрагмента ограждающей конструкции....................................................................................................... 138

4.3. Определение приведенного сопротивления теплопередачи многоэтажного жилого дома............................................................................................................................................. 139

Выводы по Главе 4........................................................................................................................................................................................................................................................145

ГЛАВА 5. АНАЛИЗ И ОЦЕНКА ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ ЗДАНИЯ............................................................................147

5.1. Анализ энергопотребления здания за отопительный период в ходе эксплуатации..........147

5.2. Анализ многолетних климатических данных на примере г. Казани..........................................................159

5.2.1. Решение задачи методом корреляционно-регрессионного анализа........................................161

5.2.2. Сравнение результатов анализа с нормативными данными..................................................................168

5.3. Методика расчета энергетического эффекта от изменения температуры наружного или внутреннего воздуха......................................................................................................................................................................................................................170

Выводы по Главе 5........................................................................................................................................................................................................................................................174

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................................................................................................................................................................................................................................176

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ............................................................................................................................................................................178

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..................................................................................................................................................................................................................................180

ПРИЛОЖЕНИЯ..................................................................................................................................................................................................................................................................194

ВВЕДЕНИЕ

Здание представляет собой некую оболочку, внутри которой человек проводит более половины всей своей жизни (быт, работа, досуг, сон и др.). Человек находится в пространстве, ограниченном стенами, окнами и дверьми, перекрытиями (пол, потолок, кровля). Одни элементы оболочки здания контактируют с внешней окружающей средой (наружным воздухом, грунтом) и называются внешними ограждающими конструкциями. Другие служат для организации внутреннего пространства здания, и поэтому их называют внутренними (внутренние стены, перегородки, межэтажные перекрытия, лестницы и т.д.).

Ограждающие конструкции (ОК) зданий должны обеспечивать определенный баланс между требованиями к параметрам микроклимата в помещении, среди которых: требования к естественному освещению, количеству свежего воздуха, температуре и относительной влажности внутреннего воздуха; и обеспечивать заданную тепловую защиту и защиту от переувлажнения материалов ОК для определенных климатических условий объекта строительства. Кроме того, проектирование ОК является ключевым звеном при определении количества энергии, которое будет потреблять здание во время всего срока его эксплуатации.

В соответствии с этим, проектирование современных зданий выполнятся коллективом специалистов, основной целью которых является объединение идей по разработке ОК с другими проектными задачами, включающими в себя: выбор материалов для ограждающих конструкций, определение теплопотерь здания, проектирование систем отопления, вентиляции и кондиционирования, обеспечение заданных (санитарных) параметров микроклимата в помещении.

В настоящее время исключительную важность в экономическом и социальном плане приобретают вопросы научно-инженерного обеспечения систем кондиционирования микроклимата (СКМ). Основным направлением в этой области является исследование теплового режима, конечная цель которого - создание современного здания с эффективным использованием энергии. Здесь разрабатываются защитные свойства ограждений, периодические и переходные процессы тепло- и массообмена, а также необходимые для этого климатологическое обеспечение, комфортность условий и другие [б].

Среди наиболее важных научно-технических направлений в этой области можно выделить строительную теплофизику, предметом изучения которой являются вопросы передачи теплоты, переноса влаги, фильтрации воздуха через ограждающие конструкции, а также теплоустойчивость и долговечность ограждающих конструкций.

Как отмечается в [б], «одной из основных задач строительной теплофизики на современном этапе является оптимизация теплового режима зданий и сооружений с целью снижения материалоемкости ограждающих конструкций и уменьшения затрат тепловой

энергии на отопление зданий». Все возрастающая ориентация на широкое внедрение в отечественную строительную практику зданий с низким потреблением энергии предусматривает дальнейшее совершенствование ограждающих конструкций. Это требует научного обоснования применения того или иного решения, новых методов теплотехнических расчетов, уточнения и детализации расчетных теплотехнических показателей строительных материалов и климатических параметров для строительства.

Во время всего срока эксплуатации здания в его наружных ограждающих конструкциях непрерывно протекают процессы теплопередачи, увлажнения материалов и фильтрации воздуха. Эти процессы переноса тесно взаимосвязаны между собой, поэтому каждый из них может вносить существенные поправки в общую картину изменения теплового и влажностного режимов ограждающих конструкций. От того, насколько точно рассчитываются эти сопряженные процессы, зависит проектное решение и, как итог, микроклимат в здании.

Существующие нормативные методики расчета [124, 127, 130-131] тепло-, влаго- и воздухопереноса не всегда достоверно отражают фактические процессы, происходящие в ограждающих конструкциях. Кроме того, в [21] делается акцент на то, что метод проверки влажностного режима конструкций, представленный в СНиП [124], совершенно не пригоден для корректного прогнозирования влажностного режима современных ограждающих конструкций. Тепловой расчет ограждающих конструкций, расчет воздухопроницаемости, а также влажностный расчет ведутся отдельно друг от друга [124, 127, 130-131].

В связи с введением новых требований по энергосбережению и принятию новых нормативных документов СНиП 23-02-2003 значения приведенного сопротивления теплопередаче конструкций зданий увеличено в 2,5-3 раза (для стен). В результате, многие традиционные материалы (такие как, полнотелый керамический и силикатный кирпич, керамзитобетон и рад др.) и конструкции на их основе перестали удовлетворять требованиям к современному уровню тепловой защиты.

С целью увеличения теплотехнических характеристик вместо однородных стеновых конструкций (каменных, кирпичных) стали активно использовать многослойные неоднородные. Также стали широко применяться новые теплоизоляционные материалы.

Однако распространению с середины 90-х годов прошлого века в отечественной проектной и строительной практике многослойных ограждающих конструкций (ОК) из разнородных современных материалов не предшествовали стадии научного исследования и обоснования выбора того или иного решения. Многослойные стеновые конструкции являются малоизученными и на сегодняшний день, о чем свидетельствуют многочисленные разрушения, дефекты и аварийное состояние ограждающих конструкций зданий в различных городах России, построенных в последние два десятилетия.

Стоит отметить, что многослойные наружные стены наиболее распространенных на сегодняшний день видов возводимых зданий (каркасно-монолитных, панельных, блочных и др.) являются конструктивно сложными, имеют высокую теплотехническую неоднородность. Методики, представленные в действующих нормативных документах, являются малоприменимыми для расчетов современных ОК.

Кроме того, в случае неправильного режима эксплуатации применяемых в этих конструкциях материалов (из-за проектных или строительных ошибок) снижается их долговечность, и как итог, срок службы всего наружного ограждения здания.

Большинство применяемых в современных ОК материалов являются высокопористыми. Такие материалы подвержены повышенному воздействию процессов фильтрации воздуха, паропроницаемости, а при определенных конструктивных особенностях — влагонакоплению в толще материала. В процессе влагопередачи через наружные стены материалы строительных конструкций могут накапливать влагу сверх расчетных значений (переувлажняться). Это приводит к значительному снижению теплозащитных качеств ограждения.

В связи с этим, процессы, происходящие в наружной оболочке зданий: теплопередача, воздухопроницание, влажностный режим, также усложняются, что требует пересмотра классических (нормативных) подходов их расчета, так как перечисленные процессы определяют эксплуатационные свойства ограждений, непосредственно влияют на прочность и долговечность конструкций.

Встает задача точного определения теплозащитных характеристик наружных ограждений для дальнейшего прогнозирования энергопотребления современных зданий. Данная задача должна решаться с учетом фактического влагосодержания материалов и фильтрации воздуха, архитектурного решения конкретного здания и сложности многочисленных конструктивных элементов.

Актуальность работы. Известно, что энергопотребление зданиями и сооружениями составляет значительную долю от общего потребления энергии страны. При этом, потери теплоты зависят от архитектурного и конструктивного решений зданий, теплозащитных свойств ограждений, климатических условий района строительства и поддерживаемых параметров внутреннего микроклимата.

Для создания энергоэффективных зданий, необходимо правильно рассчитывать и следить за их потреблением энергии на всех этапах: разработки концепции (эскиза), проектирования, строительства и эксплуатации.

Однако нормативная литература не предоставляет необходимых методик, позволяющих учитывать взаимосвязь процессов, происходящих в ограждающих конструкциях (т�