автореферат диссертации по строительству, 05.23.03, диссертация на тему:Моделирование тепловлажностных режимов в ограждающих конструкциях с повышенными теплозащитными свойствами

004612982

На правах рукописи

БУТЕНКО Андрей Николаевич

МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВЛАЖНОСТНЫХ РЕЖИМОВ В ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЯХ С ПОВЫШЕННЫМИ ТЕПЛОЗАЩИТНЫМИ СВОЙСТВАМИ

Специальность 05.23.03 - Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование

воздуха, газоснабжение и освещение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 8 НОЯ 2010

Воронеж-2010

004612982

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ростовский государственный строительный университет».

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Иванов Владлен Васильевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Панов Михаил Яковлевич кандидат технических наук, доцент Новиков Алексей Петрович

Ведущая организация:

Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет

Защита диссертации состоится «18» ноября 2010 г. в 10 час. на заседании диссертационного совета Д 212.033.02 при Воронежском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 394006 г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84, корпус 3, аудитория 3220, тел. (факс): (4732) 71-53-21.

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

Автореферат разослан 16 октября 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

Старцева Н. А

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В последние годы в России принят ряд нормативных документов, значительно ужесточающих требования к тепловой защите и энергоэффективности гражданских зданий.

Важнейшими государственными документами в сфере энергосбережения в России являются Закон РФ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации», Указ Президента РФ от 4 июня 2008 г. № 889 «О некоторых мерах по повышению энергетической и экологической эффективности российской экономики» и утвержденная распоряжением Правительства РФ №1234-р от 28 августа 2003 г. «Энергетическая стратегия России на период до 2020 года».

В связи с проведением энергосберегающих мероприятий в строительстве осуществляется переход к новым эффективным ограждающим конструкциям, отвечающим по теплотехническим характеристикам требованиям современных норм.

Однако соблюдение требований к сопротивлению теплопередаче наружных стен зданий при применении однослойных и однородных конструкций становится практически невозможным, поэтому возникает необходимость в разработке новых технических решений неоднородных наружных ограждений, обладающих повышенными теплозащитными свойствами и содержащих воздушные прослойки различной конфигурации, утепляющие вставки и прочие неоднородные элементы. В таких конструкциях широко применяются и различные металлические теплопроводные включения (гибкие связи, коннекторы, ребра, профили различной конфигурации и др.), что оказывает значительное влияние на величину и характер тепловых потерь.

Наиболее сложно в современных зданиях обеспечить энергоэффективность светопрозрачных конструкций. Термические сопротивления оконных конструкций в несколько раз ниже, чем стен зданий, что приводит к повышенным тепловым потерям через окна в зимний период времени. Помимо этого, в холодный период времени из-за низкой температуры внутреннего остекления существенно понижается комфортность в помещениях.

Для создания более совершенных строительных конструкций с повышенными теплозащитными свойствами необходимо накопление достаточно полной и достоверной информации о процессах переноса теплоты в неоднородных наружных стенах зданий и сооружений.

Целью настоящей работы является моделирование тепловлажностных режимов в ограждающих конструкциях с повышенными теплозащитными свойствами.

Задачи исследования:

1. Разработать математическую модель для расчета полей температур и тепловых потоков в неоднородных стеновых конструкциях.

2. Экспериментальным путем определить эквивалентный коэффициент теплопроводности для различных типов неоднородных стеновых конструкций.

3. Разработать методику расчета тепловлажностного режима пустотелых стеновых конструкций.

4. Провести исследование численными методами образования конденсата в воздушных полостях и определить годовой баланс влагосодержания.

5. Расчетным и экспериментальным путем определить температурные поля сопряженных мест оконных блоков и стеновых конструкций.

6. Разработать математическую модель, описывающую температурные поля в неоднородных стеновых конструкциях с металлическими включениями.

Методы исследования - физико-математическое моделирование изучаемых процессов, экспериментальные исследования стеновых конструкций и оконных блоков в двух климатических камерах различной конструкции.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована применением классических положений теории тепломассопереноса, моделирования изучаемых процессов, подтверждением удовлетворительной сходимости данных расчетов с полученными результатами экспериментальных исследований.

Научная новизна работы:

1. Разработанная математическая модель для определения температурных полей и тепловых потоков основана, в отличие от известных, на совместном использовании численного метода и эквивалентного коэффициента теплопроводности.

2. По результатам экспериментов получены новые аналитические зависимости для определения эквивалентного коэффициента теплопроводности для различных типов неоднородных стеновых конструкций.

3. Впервые на основе метода Фокина-Власова разработана методика расчета тепловлажностного режима пустотелых стеновых конструкций с повышенными теплозащитными свойствами.

4. При исследовании тепловлажностного режима пустотелых стеновых конструкций показано, что образующийся в зимний период конденсат полностью испаряется в весенне-летний период.

5. Впервые с использованием программы «ЕЬСиТ» определены температурные поля сопряженных мест оконных блоков и стеновых конструкций для различных типов монтажных швов, показана возможность расчета теплообмена в светопрозрачных конструкциях как одномерной задачи.

6. Разработана новая математическая модель для определения коэффициента теплотехнической однородности стеновых конструкций с металлическими включениями, основанная на методе конформного отображения и позволяющая перейти от неоднородной стенки к однородной.

Практическая значимость работы и реализация результатов. Результаты диссертационной работы использованы при проектировании и теплотехнических расчетах ограждающих конструкций в ООО «Инженерно-строительная компания» (г. Ростов-на-Дону) и ООО Инженерный центр «Интеллект» (г. Ростов-на-Дону).

На защиту выносятся:

1. Новая математическая модель теплообмена для неоднородных стеновых конструкций, содержащих воздушные полости.

2. Аналитические зависимости для определения эквивалентного коэффициента теплопроводности для различных типов неоднородных стеновых конструкций.

3. Методика расчета тепловлажностного режима пустотелых стеновых конструкций с повышенными теплозащитными свойствами.

4. Результаты исследований образования конденсата и его испарения в пустотелых стеновых конструкциях.

5. Расчетное и экспериментальное определение температурных полей сопряженных мест оконных блоков и стеновых конструкций.

6. Математическая модель, основанная на методе конформного отображения, для определения коэффициента теплотехнической однородности стеновых конструкций с металлическими включениями.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы обсуждались на международных научно-практических конференциях «Строительство-2005», «Строительство-2006», «Строительство-2007», «Строительство-2008», «Строительство-2009», «Строительство-2010» (г. Ростов-на-Дону, 2005-2010 гг.).

Публикации. Основные результаты работы были опубликованы в 16 научных статьях общим объемом 38 стр., из них лично автору принадлежит 18 стр. Три статьи опубликованы в изданиях, включенных в перечень ВАК РФ («Известия высших учебных заведений. Строительство» «Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Строительство и архитектура»), В статьях, опубликованных в рекомендованных ВАК изданиях, изложены основные результаты диссертации: в работе [1] проведены результаты исследования трех образцов неоднородных стеновых конструкций; работа [2] посвящена исследованию теплообмена в светопрозрачных конструкциях; в работе [3] показано влияние металлических элементов на тепловой режим конструкций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы и приложения. Диссертация изложена на 176 страницах машинописного текста и содержит 54 рисунка, 11 таблиц, список литературы из 126 наименований, а также 11 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проведенных исследований, определены цель и задачи диссертационной работы, ее научная новизна и практическая значимость.

В первой главе выполнен обзор применяемых в настоящее время методов исследования процессов теплообмена в неоднородных ограждающих конструкциях.

Обзор отечественной и зарубежной научно-технической литературы, а также результатов патентных исследований показал, что процессы теплопере-носа в неоднородных ограждающих конструкциях изучены недостаточно. Имеющиеся в настоящее время работы освещают лишь отдельные частные вопросы и справедливы, как правило, для ограниченной области изменения режимных параметров.

На основе аналитического обобщения известных научных результатов был обоснован выбор направления исследований.

Во второй главе описано исследование тепловых и влажностных режимов неоднородных ограждающих конструкций.

Опытное изучение процессов теплообмена в неоднородных ограждающих конструкциях проводилось на установке, принципиальная схема которой приведена на рис. 1.а. Исследуемый образец 3 помещался в установку таким образом, что разделял ее объем на «холодную» 1 и «теплую» 2 камеры.

Для обеспечения равномерных температурных полей на рабочих поверхностях образца по периметру последнего была создана охранная зона 4 из пе-нополистирольных плит. Морозильное устройство с двумя компрессорными установками и испарителями обеспечивало внутри «холодной» камеры автоматическое поддержание заданной температуры.

После установления стационарного теплового режима производили измерение температур и плотности тепловых потоков. Измерения производились при помощи хромель-копелевых термопар и тепломеров, установленных на теплых и холодных поверхностях конструкций.

4

Рис. 1. Экспериментальная установка: а - принципиальная схема установки; б - общий вид установки: 1 - «холодная» камера, 2 - «теплая» камера, 3 - испытываемый фрагмент, 4 - пенополистирольная теплоизоляция.

Были рассмотрены ограждающие конструкции, представленные на рис. 2.

I II III

I Рис. 2. Схемы исследуемых образцов

Образец I выполнен из двух стеновых пустотелых фибропенобетонных блоков. Образец II состоял из кладки толщиной в один пустотелый керамзито-бетонный стеновой камень. Образец III, состоявший из кладки в 1/2 полнотелого кирпича, воздушной невентилируемой прослойки и фибропенобетонного блока, был ориентирован кирпичной кладкой в сторону холодной среды, фиб-ропенобетонным блоком - в сторону теплой среды.

Задача теплопереноса решалась на основе метода численной релаксации совместно с использованием эквивалентного коэффициента теплопроводности для расчета воздушных прослоек.

Процесс теплообмена в замкнутом пространстве прослойки значительно усложняется вследствие ограниченности пространства и наличия восходящих и нисходящих потоков воздуха и происходит за счет теплопроводности, конвекции и излучения. Соотношение этих параметров зависит от температур на поверхностях прослойки, от геометрических параметров и множества других факторов.

Для облегчения расчета сложного процесса конвективного теплообмена вводится понятие коэффициента конвекции, что позволяет определить плотность теплового потока за счет теплопроводности и конвекции:

Я,+<12={*,-*2)-1Г1' (!)

о

где 8 - толщина воздушной прослойки; ti - температура теплой поверхности воздушной прослойки; t2 - температура холодной поверхности воздушной прослойки.

А, ^ + Я. 2 — £* • А., (2)

где Е» - коэффициент конвекции.

Циркуляция воздуха обусловлена разностью плотностей нагретых и холодных частиц и определяется критерием (7г • Рг, то и е„ определяется функцией того же аргумента:

гк = /(Сг-Рг). Для всей области значений аргументов

(Сг-Рг)>103. Можно использовать зависимость

е« = 0,18 (рг ■ Рг}0'25. (3)

Коэффициент теплоотдачи излучением вычисляется по формуле

ал=5,77г„Р-в, (4)

в которой впр - приведенный коэффициент излучения,

1

8 пр '-

г!) ЧБ2/ у где Е1 и Е2 - степень черноты поверхностей; в - температурный коэффициент, определяемый по формуле

-У-(-У

ч;оо уюо) в—-—-—-——.

Коэффициент теплопроводности всей прослойки Хж можно представить в виде

+ *., + <* ,8. (5)

На рис. 3 представлены экспериментальные и расчетные значения поверхностных температур: ▲ - экспериментальные температуры,----- расчетные температуры для блока без учета воздушных прослоек, - - расчетные

температуры, полученные с учетом эквивалентного коэффициента теплопроводности.

На рис. 4 показаны аналитические зависимости, полученные по результатам численного моделирования и позволяющие определить эквивалентный коэффициент теплопроводности в зависимости от температурного режима и размера воздушной прослойки.

Также в главе дано исследование влажностного режима конструкций с учетом накопления и испарения влаги в различные периоды года с определением полного влажностного режима ограждения при длительной эксплуатации. Для расчета влажностного режима использовался метод Фокина-Власова.

Климатические параметры были приняты для района строительства г. Ростов-на-Дону.

18,00

300 у, мм

Рис. 3. Температуры на внутренней поверхности фибропенобетонного блока

АЭКВ,

0 2 4 6 8 10 ос

Рис. 4. Зависимость Хэкв для прослойки шириной 8=30 мм от средней температуры воздуха 1сР°С и температуры поверхностей ^ и ^

Влажностный режим рассматривался дифференцированно по периодам года: к зимнему периоду относятся месяцы со средней температурой наружного воздуха ниже минус 5°С, к весенне-осеннему периоду относятся месяцы со среднемесячными температурами наружного воздуха в пределах от минус 5°С до плюс 5°С, к летнему периоду - со среднемесячными температурами выше плюс 5°С.

Исследование образца I проводилось в два этапа: сначала был определен влажностный режим сплошного фибропенобетонного блока, затем блока, содержащего пустоты. Полученные данные приведены в табл. 1. Из полученных данных можно сделать вывод, что в случае однородной конструкции без пустот конденсации влаги не происходит.

В случае же конструкции, содержащей воздушные прослойки, происходит ухудшение влажностного режима, что связано со снижением паропрони-цаемости конструкции: в зимний период наблюдается конденсация влаги. Тем не менее, накопления влаги в конструкции не происходит, и годовой баланс влаги остается отрицательным.

Таблица 1

Сплошной блок Пустотелый блок

Баланс влаги С, кг/м2 Зима - 0,1

Лето - -25,2

Весна-Осень - -0,4

Год - -25,5

Сопротивление паропроницанию Я„р, м2-ч-Па/мг 1,8 0,7

Необходимо отметить, что для оценки теплового режима ограждающих конструкций с целью повышения их эксплуатационных характеристик должна проводиться совместная оценка как распределения температур, так и влажност-ных режимов рассматриваемых конструкций.

В третьей главе описано исследование процессов теплообмена в свето-прозрачных конструкциях. Приведены теоретические и экспериментальные исследования оконных конструкций различной конфигурации.

Исследование температурного режима узлов примыкания оконных блоков к стеновым проемам выполнялось при помощи метода конечных элементов в системе моделирования двумерных тепловых полей «ЕЬСит».

В качестве стеновой конструкции использовалась кирпичная кладка из сплошного кирпича на цементно-песчаном растворе, для заполнения оконного проема использовался однокамерный стеклопакет, установленный в оконный деревянный блок одинарной конструкции.

Ввиду большого разнообразия применяемых конструктивных решений рассматривались два вида монтажных швов узлов примыкания оконного блока и ограждения: с утеплителем (рис.5а) и без утеплителя (рис. 56).

Также был выполнен расчет температурного поля стеклопакета без сопряжения со стеновой конструкцией (рис. 5в).

Анализ расчетных данных для оконных блоков и сопряжения оконных блоков со стеновыми конструкциями позволили установить следующее. Для обоих вариантов сопряжения средняя температура внутреннего стекла составляет 5,1°С, средняя плотность теплового потока 122,8 Вт/м2. Для однокамерного стеклопакета средняя температура внутреннего стекла 5°С, средняя плотность теплового потока 123,3 Вт/м2. Различие температур для сопряжения оконного блока со стеновой конструкцией и оконного блока составляет около 2%.

Полученные данные о взаимном влиянии оконных блоков и стеновых конструкций свидетельствуют о возможности рассмотрения теплообмена в светопрозрачной конструкции как одномерной задачи без учета влияния краевых зон.

а б в

Рис. 5. Температурное поле в области сопряжения оконного блока и кирпичной кладки из сплошного кирпича

Экспериментальное исследование производилось в климатической камере, показанной на рис. 6, имеющей «теплое» и «холодное» отделения, разделенные перегородкой с испытываемым образцом и позволяющей создавать заданный температурный перепад.

Определение температуры на поверхностях исследуемой конструкции производилось с помощью термоэлектрических преобразователей типа ХК.

Для нахождения плотности тепловых потоков использовались тепломеры, установленные в центрах однородных температурных зон на внутренней поверхности оконного блока.

Образцы представляли собой однокамерный стеклопакет площадью 1 м2, с толщиной стекол 4 мм и толщиной воздушной прослойки 16 мм.

В нормативных документах СНиП 23-02-2003 и СП 23-101-2004 отсутствуют рекомендованные методы расчета светопрозрачных конструкций.

В большинстве современных расчетных методов стекло рассматривается как непрозрачное твердое тело и учитывается передача теплоты только теплопроводностью. Предложен подход для определения локальных значений температур и тепловых потоков в светопрозрачных конструкциях. Метод основан на дальнейшем развитии математических моделей, описывающих процессы переноса теплоты в окнах. Особенность расчетной схемы состоит в возможности учитывать условия теплоотдачи от поверхности оконной конструкции, а также передачу тепла излучением через стекло.

Рис. 6. Экспериментальная установка (климатическая камера)

Сопротивление теплопередаче оконного блока Л, складывается из следующих величин:

&> = & + /?; + й,,,. + Яг + Л,, (6) где й и - термические сопротивления стекол; Л» = —, ............................................— и/?» = -- сопротивления теплоотдачи у внутренней и наружной поверхностей а»

остекления.

С учетом полученных выше результатов возможно допущение о передаче теплоты только в горизонтальном направлении, следовательно, справедливы уравнения

Т» = !о--Кв.

Яс

(в — и / _ \ 11 = и--(&» + /?/),

= 1е - --+ Л/ + /?«./,.),

Ко

х„ = и - + Л; + А.», + Лз).

Ко

где т» и т» - температуры поверхностей теплого и холодного стекла; /1 и /2 -температуры поверхностей теплого и холодного стекла со стороны воздушной прослойки.

Расчетная схема исследуемого образца приведена на рис. 7. Термическое сопротивление воздушной прослойки находится по формуле

а*. (/; - /«) + а" (/« - ? >) + а, (/у - /2) где а*, а" - локальные коэффициенты конвективной теплоотдачи теплой и холодной поверхностей остекления воздушной прослойки.

Из зависимости, приведенной ниже, определяются значения температур в ядре воздушной прослойки:

JVмx = 0,б0(йol:)°■ , (10),

Термические сопротивления стекол с учетом коэффициента лучистой теплопроводности находились по формуле

Я1 = Я2 = ~,-5 . ... (11)

,2тЛ

Я.+

1ба°п Т тк

где Т - средняя температура стекла; а0- постоянная Стефана-Больцмана; п - показатель преломления; т - оптико-геометрический параметр; к - коэффициент поглощения.

1:

■м

и.

Рис. 7. Расчетная схема исследуемого образца

В качестве первого приближения для расчета температурных полей принимались значения коэффициентов теплоотдачи и термического сопротивления воздушной прослойки по данным СНиП 23-02-2003 и СП 23101-2004. По полученным в первом приближении температурам и тепловым потокам определялись затем уточненные значения коэффициентов теплоотдачи и термические сопротивления стекол с учетом излучения. Расчет повторялся до тех пор, пока расхождение между приближениями не достигало 1-2%.

Плотности тепловых потоков, приведенные на рис. 8, показывает удовлетворительное совпадение расчетных и экспериментальных данных.

ц Вт/м1 _

Образец I. Эксперимент

-Образец!. Расчет

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Н, м

Рис. 8. Распределение плотности тепловых потоков по высоте светопрозрачной конструкции

Также было проведено сравнение результатов расчета плотности тепловых потоков по предложенной в работе методике с данными, приведенными в работах других авторов.

Полученные результаты свидетельствуют о правильности предложенного комбинированного расчетного метода и возможности его применения в инженерных расчетах систем остекления.

В четвертой главе рассмотрено влияние металлических включений на тепловые режимы ограждений.

Внедрение металлических деталей увеличивает прочность конструкций, однако может заметно изменить величину и характер тепловых потерь.

Ввиду большого разнообразия и конструктивных особенностей не существует единых методов расчета подобных конструкций.

В качестве одного из примеров использования подобных конструкций было выполнено исследование влияния металлических ребер внутри плоской стенки на процесс теплопередачи на основе модели, приведенной на рис. 9.

I_I

©

0

Рис.9. Конформное отображение оребренной стенки на однородную

Предполагается, что тонкие металлические ребра обладают высокой теплопроводностью и имеют небольшую высоту к, поэтому можно считать, что их температура равняется температуре металлических листов, которыми обшита стенка (ребра прикреплены к этим листам). Пространство между этой обшивкой и ребрами заполнено теплоизоляционным материалом с коэффициентом теплопроводности к.

Известны температуры окружающей среды I, и поверхности стенки со стороны ребер 12.

Для анализа теплового состояния ограждающих конструкций, содержащих металлические включения и имеющих сложную форму, использовался метод конформных отображений. Функция, переводящая оребренную плоскую стенку на однородную (рис. 9), имеет вид

Л

(V = —агссох к

1

с И— а

та

—г-СОЗ-

пИ а

Здесь

2 = х + ¡у

(12)

(13)

\У = и(х,у) + п(х,у) (14)

где а - расстояние между ребрами.

Преобразование (12) отображает изотерму (у= £) плоскости 2 в прямую у = / плоскости IV.

Используя свойства конформных отображений, приходим к выводу, что плотности тепловых потоков, проходящих через области между изотермами г, и ¡2 на той и другой плоскостях, равны. Тогда разница в плотности теплового потока оребренной и однородной стенок определяется уравнением

М',-0..

Ь-1

I

2пЬ

-1п-

ск

жЬ

/ 71 г

ск—Ь +

(15)

плотность

(16)

где д - плотность теплового потока через оребренную стенку, ц' теплового потока для однородной стенки без ребер.

Коэффициент теплотехнической однородности конструкции может быть определен по формуле

<7

На основании проведенных численных исследований получены зависимости коэффициента теплотехнической однородности г от высоты ребер Л и расстояния между ними а, показанные на рис. 10.

Анализ результатов показывает, что высота ребер оказывает значительное влияние на коэффициент теплотехнической однородности: так, при неизменном расстоянии между ребрами а = 0,07 м увеличение И от 0,01 м до 0,1 м приводит к уменьшению г от 0,99 до 0,79 и увеличению тепловых потерь через конструкцию на 20,6 %. Следует отметить, что предложенная математическая модель предоставляет возможность оценки геометрических параметров конструкции, что позволяет найти оптимальное конструктивное решение с учетом оптимизации тепловых режимов конструкции.

0,01 с.о: у.« :>

0,« 0,07 0,05 0,3? 5,1

Рис. 10. Зависимость коэффициента теплотехнической однородности г от высоты ребра И

выводы

1. Разработана математическая модель для расчета полей температур и тепловых потоков в неоднородных стеновых конструкциях, содержащих воздушные прослойки, основанная на совместном использовании численного метода и эквивалентного коэффициента теплопроводности.

2. На основе экспериментальных данных получены аналитические зависимости для определения эквивалентного коэффициента теплопроводности для различных типов неоднородных стеновых конструкций.

3. С использованием графоаналитического метода Фокина-Власова разработана методика расчета тепловлажностного режима пустотелых стеновых конструкций с повышенными теплозащитными свойствами.

4. Показано, что образующийся в зимний период конденсат испаряется в весенне-летний период, при этом в рассматриваемых конструкциях годовой баланс влагосодержания не приводит к накоплению влаги.

5. Расчетным и экспериментальным путем определены температурные поля сопряженных мест оконных блоков и стеновых конструкций. Характер температурных полей позволил обосновать возможность расчета теплообмена в светопрозрачных конструкциях как одномерной задачи без учета влияния краевых зон.

6. Разработана математическая модель, основанная на методе конформного отображения, для определения коэффициента теплотехнической однородности стеновых конструкций с металлическими включениями. Использование конформного отображения позволяет перейти от неоднородной стенки с металлическими включениями к однородной плоской стенке.

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях:

Публикации в ведущих рецензируемых научно-технических журналах и изданиях, определенных ВАК

1. Бутенко А.Н. Тепловые режимы неоднородных ограждающих конструкций / В.В. Иванов, А.Н. Бутенко, Л.В. Карасева // Известия высших учебных заведений. Строительство - 2007. -№4. - С. 24-27.

2. Бутенко А.Н. Температурные поля в области сопряжения оконного блока и ограждающей конструкции / В.В. Иванов, А.Н. Бутенко, Л.В. Карасева // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Строительство и архитектура. - 2010. - № 3 (19). - С. 53-59.

3. Бутенко А.Н. Моделирование процессов теплопереноса в зоне прокладки теплотрасс и в неоднородных ограждающих конструкциях методом конформных отображений /. В. Иванов, А.Н. Бутенко, Л.В. Карасева // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Строительство и архитектура- 2010. - № 3(19). - С. 46-52.

Публикации в других изданиях

4. Бутенко А.Н. Теплоперенос через неоднородную стенку с металлическими ребрами / В.В. Иванов, Л.В. Карасева, А.Н. Бутенко, С.А. Тихомиров // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Технические науки. -2007.-№12. - С. 80-81.

5. Бутенко А.Н. Теплообмен в свегопрозрачных конструкциях. / В.В. Иванов, Л.В. Карасева, А.Н. Бутенко, С.А. Тихомиров. // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Технические науки. - 2009. -№1. - С. 93-94.

6. Бутенко А.Н. Исследование температурных режимов неоднородных ограждающих конструкций / А.Н. Бутенко // Строительство-2005 : сб. науч. тр. / Ростов, гос. строит, ун-т. - Ростов-на-Дону, 2005. - С. 238-239.

7. Бутенко А.Н. Применение метода релаксации для расчета неоднородных стеновых конструкций / А.Н. Бутенко // Строительство-2005 : сб. науч. тр. / Ростов, гос. строит, ун-т. - Ростов-на-Дону, 2005. - С. 239-240.

8. Бутенко А.Н. Исследование процессов теплопереноса через неоднородные ограждающие конструкции / А.Н. Бутенко // Известия Ростов, гос. строит, ун-та. - 2005. -№9. - С. 414-415.

9. Бутенко А.Н. Экспериментальное исследование процессов теплопереноса через свегопрозрачные ограждающие конструкции / С.А. Тихомиров, А.Н. Бутенко // Строительство-2006 : сб. науч. тр. / Ростов, гос. строит, ун-т. - Ростов-на-Дону, 2006. - С. 279-280.

10. Бутенко А.Н. Исследование процессов теплопереноса через свегопрозрачные ограждающие конструкции / А.Н. Бутенко // Известия Ростов, гос. строит, ун-та. - 2006. - №10. - С. 396-397.

11. Бутенко А.Н. Теплоперенос в окнах с двойным остеклением // С.А. Тихомиров, А.Н. Бутенко / Строительство-2007 : сб. науч. тр. / Ростов, гос. строит, ун-т. - Ростов-на-Дону, 2007. - С. 163.

12. Бутенко А.Н. Использование метода релаксации для определения тепловых режимов неоднородных ограждающих конструкций // А.Н. Бутенко / Строительство-2007 : сб. науч. тр. / Ростов, гос. строит, ун-т. - Ростов-на-Дону, 2007. - С. 164.

13. Бутенко А.Н. Теплоперенос в неоднородных ограждающих конструкциях /А.Н. Бутенко // Известия Ростов, гос. строит, ун-та. - 2007. - № 11. - С. 341-342.

14. Бутенко А.Н. Увеличение теплозащитных качеств оконных конструкций // С.А. Тихомиров, А.Н. Бутенко / Строительство-2008 : сб. науч. тр. / Ростов. гос. строит, ун-т. - Ростов-на-Дону, 2008. - С. 189-191.

15. Бутенко А.Н. Теплоперенос через ограждающие конструкции с металлическими включениями / А.Н. Бутенко // Строительство-2009 : сб. науч. тр. / Ростов, гос. строит, ун-т. - Ростов-на-Дону, 2009 - С. 211.

16. Бутенко А.Н. Определение коэффициента теплотехнической однородности для конструкции с металлическими ребрами / В.В. Иванов, А.Н. Бутенко // Строительство-2010 : сб. науч. тр. / Ростов, гос. строит, ун-т. - Ростов-на-Дону, 2010.- С. 218-219.

Бутенко Андрей Николаевич

МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВЛАЖНОСТНЫХ РЕЖИМОВ В ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЯХ С ПОВЫШЕННЫМИ ТЕПЛОЗАЩИТНЫМИ СВОЙСТВАМИ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Печать цифровая. Бумага офсетная. Гарнитура «Тайме». Формат 60x84/16. Объем 1,0 уч.-изд.-л. Заказ № 1901. Тираж 100 экз. Отпечатано в КМЦ «КОПИЦЕНТР» 344006, г. Ростов-на-Дону, ул. Суворова, 19, тел. 247-34-88

ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. КРАТКИЙ ОБЗОР РАБОТ. ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЙ.

ГЛАВА II. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ

ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА В ФРАГМЕНТАХ НЕОДНОРОДНЫХ ОГРАЖДАЮЩИХ

КОНСТРУКЦИЙ.

2.1. Описание установки.

2.2. Аппаратура и оборудование

2.3. Определение температур и тепловых потоков.

2.4. Методика расчета теплопереноса через ограждающие конструкции.

2.5. Расчет теплопереноса через ограждающие конструкции.

2.6. Определение влажностного режима конструкций.

ГЛАВА III. ПЕРЕНОС ТЕПЛОТЫ ЧЕРЕЗ СВЕТОПРОЗРАЧНЫЕ

ОГРАЖДАЮЩИЕ КОНСТРУКЦИИ.

3.1. Оценка температурного режима в области сопряжения оконного блока и ограждающей конструкции.

3.2 Описание установки

3.3. Аппаратура и оборудование.

3.4. Проведение измерений

3.5. Расчетная схема процессов теплообмена в

ГЛАВА IV. светопрозрачной конструкции.

3.6. Сравнение экспериментальных и расчетных данных.

ПЕРЕНОС ТЕПЛОТЫ ЧЕРЕЗ ОГРАЖДАЮЩИЕ КОНСТРУКЦИИ С МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ ВКЛЮЧЕНИЯМИ.

4.1. Коэффициент теплотехнической неоднородности.

4.2. Существующие методы исследования неоднородных конструкций с металлическими элементами.

4.3. Исследование процесса теплопереноса внутри конструкции с металлическими ребрами

ВЫВОДЫ

Актуальность работы. В последние годы в России принят ряд нормативных документов, значительно ужесточающих требования к тепловой защите и энергоэффективности гражданских зданий.

Важнейшими государственными документами в сфере энергосбережения в России являются Закон РФ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и< о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации», Указ* Президента РФ' от 4 июня 2008 г. № 889 «О1 некоторых мерах по повышению энергетической и экологической эффективности российской экономики» и утвержденная распоряжением Правительством Российской. Федерации №1234-р от 28 августа 2003 г. «Энергетическая стратегия России на период до 2020 года».

Кроме того, 27 декабря 2002 г. Президентом РФ был утвержден федеральный Закон № 184-ФЗ «О техническом регулировании» (ЗТР), допускающий разработку стандартов организаций (коммерческих, общественных, научных и т. д.), не препятствующую существованию обязательных территориальных строительных норм.

Постановлением № 113 от 26 июня 2003 г. Госстроем России с 1 октября 2003 г. введён в действие СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий». В нем дополнительно к нормированию теплозащитных качеств наружных стен по санитарно-гигиеническим условиям и по условиям энергосбережения введён третий показатель по удельному расходу тепловой энергии на отопление здания. Предложено рассматривать требуемый уровень г теплозащитных качеств наружных стен во взаимосвязи с общим энергетическим балансом здания. Главной его особенностью по сравнению с предыдущей версией является возможность использования потребительского подхода к нормированию тепловой защиты, при котором устанавливается предельное значение удельного энергопотребления здания в целом. Такой подход был перенесен- из ранее принятых территориальных строительных норм. Основное преимущество его в- том, что это позволяет проектировщику и заказчику достигать одного и того же уровня энергопотребления различными, способами за' счет выбора наиболее предпочтительных в» каждом конкретном случае энергосберегающих мероприятий, в том числе объемно-планировочных решений, автоматизации инженерных систем, учета внутренних тепловыделений и теплопоступлений от солнечной радиации, и т. д.

Нормативные-требования. СНиП. 23-02-2003' к уровню теплоизоляции-наружных стен' из условий энергосбережения в- диапазоне, превышающем* санитарно-гигиенические требования, согласно Федеральному Закону «О техническом регулировании» должны использоваться* при проектировании, и строительстве жилых зданий, как добровольные. Для обязательного исполнения в соответствии с Законом следует принимать требования из условий обеспечения санитарно-гигиенической безопасности для проживания граждан.

В связи с проведением энергосберегающих мероприятий в строительстве выполняется переход к новым эффективным ограждающим конструкциям, отвечающим по теплотехническим характеристикам требованиям современных норм.

Однако соблюдение требований к сопротивлению теплопередаче наружных стен зданий при применении однослойных и однородных конструкций становится практически невозможным, поэтому возникает необходимость в разработке новых технических решений неоднородных наружных ограждений, обладающих повышенными теплозащитными свойствами и содержащих воздушные прослойки различной конфигурации, утепляющие вставки и прочие неоднородные элементы. В таких конструкциях широко применяются и различные металлические теплопроводные включения (гибкие связи, коннекторы, ребра, профили различной конфигурации и др.), что оказывает значительное влияние на величину и характер тепловых потерь.

Наиболее сложно в современных зданиях обеспечить энергоэффективность светопрозрачных конструкций. Термические сопротивления оконных конструкций в несколько раз ниже, чем стен зданий, что приводит к повышенным тепловым потерям через окна в зимний период времени. Помимо этого, в холодный период времени из-за низкой температуры внутреннего остекления существенно понижается комфортность в помещениях.

Для создания более совершенных строительных конструкций с повышенными теплозащитными свойствами необходимо накопление достаточно полной и достоверной информации о процессах переноса теплоты в неоднородных наружных стенах зданий и сооружений.

Целью настоящей работы является моделирование тепловлажностных режимов в ограждающих конструкциях с повышенными теплозащитными свойствами.

Задачи исследования:

1. Разработать математическую модель для расчета полей температур и тепловых потоков в неоднородных стеновых конструкциях.

2. Экспериментальным путем определить эквивалентный коэффициент теплопроводности для различных типов неоднородных стеновых конструкций.

3. Разработать методику расчета тепловлажностного режима пустотелых стеновых конструкций.

4. Провести исследование численными методами образования конденсата в воздушных полостях и определить годовой баланс влагосодержания.

5. Расчетным и экспериментальным путем определить температурные поля сопряженных мест оконных блоков и стеновых конструкций.

6. Разработать математическую модель, описывающую температурные поля в неоднородных стеновых конструкциях с металлическими включениями.

Методы исследования - физико-математическое моделирование изучаемых процессов, экспериментальные исследования стеновых конструкций и оконных блоков в двух климатических камерах различной конструкции.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована применением классических положений теории тепломассопереноса, моделирования изучаемых процессов, подтверждением удовлетворительной сходимости данных расчетов с полученными результатами экспериментальных исследований.

Научная новизна работы:

1. Разработанная математическая модель для определения температурных полей и тепловых потоков основана, в отличие от известных, на совместном использовании численного метода и эквивалентного коэффициента теплопроводности.

2. По результатам экспериментов получены новые аналитические зависимости для определения эквивалентного коэффициента теплопроводности для различных типов неоднородных стеновых конструкций.

3. Впервые на основе метода Фокина-Власова разработана методика расчета тепловлажностного режима пустотелых стеновых конструкций с повышенными теплозащитными свойствами.

4. При исследовании тепловлажностного режима пустотелых стеновых конструкций показано, что образующийся в зимний период конденсат полностью испаряется в весенне-летний период.

5. Впервые с использованием программы «ЕЬСиТ» определены температурные поля сопряженных мест оконных блоков и стеновых конструкций для различных типов монтажных швов, показана возможность расчета теплообмена в светопрозрачных конструкциях как одномерной задачи.

6. Разработана новая математическая модель для определения коэффициента теплотехнической однородности стеновых конструкций с металлическими включениями, основанная на методе конформного отображениями позволяющая перейти от неоднородной стенки к однородной.

Практическая значимость работы и реализация результатов. Результаты* диссертационной работы, использованы при проектировании и теплотехнических расчетах ограждающих конструкций* в ООО «Инженерно-строительная компания» (г. Ростов-на-Дону) и ООО Инженерный центр «Интеллект» (г. Ростов-на-Дону).

На защиту выносятся:

1. Новая математическая модель теплообмена для неоднородных стеновых конструкций, содержащих воздушные полости.

2. Аналитические зависимости для определения эквивалентного коэффициента теплопроводности для различных типов неоднородных стеновых конструкций.

3. Методика расчета тепловлажностного режима пустотелых стеновых конструкций с повышенными теплозащитными свойствами.

4. Результаты исследований образования конденсата и его испарения в пустотелых стеновых конструкциях.

5. Расчетное и экспериментальное определение температурных полей сопряженных мест оконных блоков и стеновых конструкций.

6. Математическая модель, основанная на методе конформного отображения, для определения коэффициента теплотехнической однородности стеновых конструкций с металлическими включениями.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы обсуждались на международных научно-практических конференциях «Строительство-2005», «Строительство-2006», «Строительство-2007», «Строительство-2008», «Строительство-2009», «Строительство-2010» (г. Ростов-на-Дону, 2005-2010 гг.).

Публикации. Основные результаты работы были опубликованы в 16 научных статьях общим объемом 38 стр., из них лично автору принадлежит 18 стр. Три статьи опубликованы в изданиях, включенных в перечень ВАК РФ («Известия высших учебных заведений. Строительство» «Научный5 вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного1 университета. Строительство и архитектура»), В статьях, опубликованных в рекомендованных ВАК изданиях, изложены основные результаты диссертации: в работе [1] проведены результаты исследования трех образцов неоднородных стеновых конструкций; работа [2] посвящена исследованию теплообмена в светопрозрачных конструкциях; в работе [3] показано влияние металлических элементов на тепловой режим конструкций.

Структура объем и работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы и приложения. Диссертация изложена на 181 странице машинописного текста и содержит 54 рисунка, 11 таблиц, список литературы из 126 наименований, а также 11 приложений.

выводы

1. Разработана математическая модель для расчета полей температур и тепловых потоков в неоднородных стеновых конструкциях, содержащих» воздушные прослойки, основанная на совместном использовании численного метода и эквивалентного коэффициента теплопроводности.

2. На основе экспериментальных данных получены аналитические зависимости для определения эквивалентного коэффициента теплопроводности для различных типов неоднородных стеновых конструкций.

3. С использованием графоаналитического • метода Фокина-Власова разработана методика расчета тепловлажностного режима1 пустотелых стеновых конструкций с повышенными теплозащитными* свойствами.

4. Показано, что образующийся в зимний период конденсат испаряется в весенне-летний период, при этом в рассматриваемых конструкциях годовой баланс влагосодержания не приводит к накоплению влаги.

5. Расчетным и экспериментальным путем определены температурные поля сопряженных мест оконных блоков и стеновых конструкций. Характер температурных полей позволил обосновать возможность расчета теплообмена в светопрозрачных конструкциях как одномерной задачи без учета влияния краевых зон.

6. Разработана математическая модель, основанная на методе конформного отображения, для определения коэффициента теплотехнической однородности стеновых конструкций с металлическими включениями. Использование конформного отображения позволяет перейти от неоднородной стенки с металлическими включениями к однородной плоской стенке.

1. Тепловая защита зданий. - М.: ФГУП ЦПП, 2004.

2. СП 23-101-2004. Проектирование тепловой защиты зданий. М.: ФГУП ЦПП, 2004.

3. Карслоу Г.С, Егер Д.К. Теплопроводность твердых тел. М.: Наука. 1964. 487 с.

4. Лыков A.B. Теория теплопроводности. М.: Высшая школа. 1967.600 с.

5. Лыков A.B., Михайлов Ю.А. Теория тепло- и массопереноса. М.: Госэнергоиздат, 1963. - 536 с.

6. Цой П.В. Методы расчета задач тепломассопереноса. М.: Энергоатомиздат, 1984. - 415 с.

7. Карташов Э.М. Аналитические методы в теории теплопроводности твердых тел. М.: Высшая школа, 1985. - 480 с.

8. Алифанов О.М. Идентификация процессов теплообмена летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1979. - 216 с.

9. Шашков А.Г. Системно-структурный анализ процесса теплообмена и его применение. М.: Энергоатомиздат, 1983. -280 с.

10. Никитенко Н.И. Теория тепло- и массопереноса. Киев: Наукова думка, 1983.-349 с.

11. Коздоба Л. А. Методы решения нелинейных задач теплопроводности. М.: Наука, 1975. - 228 с.

12. Зарубин B.C. ' Инженерные методы решения задач теплопроводности. М.: Энергоатомиздат, 1983. - 328 с.

13. Зарубин B.C. Температурные поля в конструкциях летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1978. - 184 с.

14. Камья Ф.М. Импульсная теория теплопроводности. М.: Энергия, 1972. -272 с.15