автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Наружные ограждения зданий с лучепрозрачным экраном в условиях юга Дальнего Востока

П6 oft

. 7 lilOll ДОЗ

ДДГЫЕВОСТОЧЩП ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИ!* УНИВЕРСИТЕТ

на правах рукописи

CAÎPOHOB ВЛАДИМИР КСКСТАНТИНСВИЧ

УДК 624-01

НЙРУКЖЕ ОГРАХДЕНИЯ ЗДАНИП С ЛУЧЕПРОЗРАЧНУЯ ЭКРАНОМ В УСЛОВИЯХ ВГА ДАЛЬНЕГО ВОСТОКА

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции,здания и сооружения

да Т О Р Е » Е PÀ Т'

JUECEPTAUHH НА CCSCífflE УЧЕКИ СТЕЗЯ КАНДИДАТА ТЕЯКШЖ НЙК

ВЛАДИВОСТОК - 1993 г.

РЛГЛГА ИСПОЛНЕНА В ДАЛЬНЕВОСТОЧНОМ ГОСУАГТСТБЕННОП ТОНИЧЕСЧСМ У»5(ЙО>СИТГГЕ

НаучныЛ рукссодительI кандидат технически* наук,

доцент Э. А. Г.*раыо»

>г

Официальные» опгкхен1и| доктор географически* наук,

профессор А.А.Цоид

кандидат технических наук, старший научный сотрудник В.П.Рудаков

Вадуыцее предприятие» Дальневосточный

ПроистройНИИпроект

Зашита состоится ■ ад- иш.ня 199? г. в 10100 часов на заседании специализированного совета К 064.01.04 при Дальневосточном государственном технической' университете по адресу: Владивосток, пр.Красного Знамени, 66, ауд.С-Э05.

С диссертацией нежно ознакомится в научно-технической библиотеке университета.

Прссим Эас .принять участие в защите и направить Ваш отзыв в двух экземплярах по адресу: ¿90014, р.Владивосток, пр.Красного Знамени, 66 Ученый Сов.*г 1С 064.01.04.

Ученчй секретарь специализированного совета

/ Б/Г. Гулу!/

ОБОАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одним и» путей экономии энергетических ресурсов при эксплуатации зданий и сооружений иалиится ■чспояь эосание солнечной энергии. Сунмарное годооое количество солнрч--юй анергии, достигающей поверхности Земли, оцониаавтся в 1.2 10 г у.т. Если учесть, что общее потребление энергии а мире сегодни составляет более 10 0 т у.т., то инт.-рос к практическому исполь зов аник :олночмой энергии аполне закономерен.

Опит . эксплуатации экспериментальных зданий и сооружений ■ наин-А :тране и за рубежом показал высокую эффективность и практическую воз-юхиость применении солнечной энергии, использование которой поэволя-?т снизить теллолотребление на 20-40Х в зависимости от района строительства. Наиболее перспективными для использования представляется :омбинироаанные. конструкции нарукны* стен с лучепрозрачным экраном, :оторые наряду с возможностью использования тепла солнечной радиации юзооляят повысить уровень теплозащиты. Теплотехнический расчет таким :омструкций встречает большие трудности, так как е достаточной мере «в Изучена процессы теплопередачи и аккумулирования анергии. Из-за >тсутстайя точны* методов теплотехнического расчета и экономических :ритериев не определена область рационального применения таких конст— >укций.

Вместе с этим кг Дальнего Востока по сбоин природно-климатическим 1С0бенн0Стям и обили» солнца зимой предоставляет широки!» возможности 1Спользования солнечной энергии для теплообеспечения зданий.

Цэль работы— разработка и обоснованна теоретической мо-[ели теллофизического расчета конструкций нарукных стен с лучелрозра— ном экраном и реализация ее а программных средстаач с оценкой эффек— маности применения этих конструкций а условиям »га Дальнего Востока.

] il« « ч и исследования. Задлчани исследований яаля— лисы

рвэрайотать ^лоико-матвматическу« модель процесса теплопередачи

О

чвроэ ограхдаюцун конструкции с лучепрозрачнии экраном, наиболее пол— мо учитывающую парлматри ваядейстимл анашней среды на ©кран;

- оксперммгмтально проворить о нлтурнин и лабораторных услозинн достоигрности разработанной физика—математической подали;

- разработать инкпнврмый питал теплотахнического расчет • и&рухних стен с лучепрогрдчним охранам и роалигоаать ero a комплексе программ— ник средств длч 3DM;

- проиэоести аналиэ природно-климатических особенностей ига Дальнего' Оостока с црлию определения целесообразности применения исслнду-ени* конструкций п этан регионе;

- оценить осаномическуи эффективность применения огра*гдамщих конструкций с лучепрозрачним экраном о условиях юга Дальнего Востока.

Методы исследований. При проведении vsccVie-доааняЯ использооались следующие методы*

- математического моделирования климатически« воздейстоий;

- инструментальных теплотехнических исследований;

- математического планировании эксперимента!

- статистической обработки результатов исследаэаний;

- программирсаанип на языке "FOnTRAN" и 'BA5IK".

Научной н о о и э н а работы заклкчгется в:

- разработке физико-математической модели теплопередачи через ограждающую конструкции с лучэпраэрачним скрапом, позволяющей наиболее полно учесть параметра воздействия солнечной радиации на зкран:

- устанооленче заоисимости конэектианого теплообмена о замкнутой воздушной прослойке от разници температур поверхностей и отношения OUCCTU прослойки к ее ширине,что погоолило получить формулы для опрез-дел«зни9. локальных и средних значений коэффициентов теплоотдачи для замкнутой прослойки с отноуизнием оысоты te ее ширине более 10;

- разработке методики определения оптических характеристик лунепрозрачных материалов.

На осноэании вышеперечисленных разработок был создан инженерным метод теплотехнического роасчета наружным стен с лучепрозрачным экраном и определения оптимальной толщины стены под экранам.

Практическая ценность работы характеризуется разработкой комплекса программный средств, позволяющих пссти:

- решение системы линейных уравнений топлап ого баланс л;

- решение плоской нестационарной задачи теплопроводности;

- решение дифференциального ураонония теплопроподности при ззддмии зависимости плонтности теплового потока от температур пооерхности и окружающей среды;

- определение оптических характеристик: лучепрозрачмык материалов ;

- расчет параметроа солнечной радиации;

- теплотехнический расчет наружных стен с лучепрозрачиым экраном;

- определение теплоэнергетической эффективности наружных стен с лучепрозрачныи экранам.

* Указанный комплекс программных средсто позоолил оценить эффектно— ность применения этих конструкций о условиях яга Дальнего Воет ока. В частности, для г.Владивостока установлено, что при устройстве двухслойного лучепрозрачного экрана у однослойной керамзитобетонной панели экономия топлива может составить 0.02 т у»т. на 1 куб.м обогреваемого помещения э течении отопительного сезона.

Достоверность полученных данных подтверждается сравнением результатов расчета и независимых данных натурных экспериментов, проведенных Дальневосточным научно-исследоеательским институтом по строительстоу (г.Владивосток)•

Полученные кривые оптических характеристик лучепрозрачных экранов не противоречат подобным исследозаниям, проведенными другими аоторами.

Достоверность положений физико-математической модели теплопередачи чарез ограадами;ие конструкции с лучепрозрачиым экраной обусловлена

результатами, г.олучонными в ходе проведения лабораторных и натурных оксп^риминтов, исполненных о соответствии с требованиями нормативных документов.

Внедрении результатов работы. Результаты работы испож.КОВАНЫ!

- при разработке индивидуального проекта двухквартирного окспери-ментального усадебного жилого дона с пассивной системой солнечного теплообеспочрния, выполненный "Лридолэкгипросельхозстрой' (ГщСарлтоо) РосГлавНИИстройлроекта Госстроя РСФСР;

- при разработке проекта экранирования сушильного цена Дальнера-ченскога дереаообрабатииающого комбината (Приморский край) инхенер-но-иссль»дооательским центром ККПО "Дальвонт" о 1990 г. 5

- при разработке инженерной нетодики и программы ЭВМ па определении оптических характеристик лучепрозрачных экранов, используемой с курсовом и дипломном проектировании по дисциплине 'Архитектура 'грак— дамских и промышленных зданий' е ДВГТу (г.Владивосток).

Апробации работы. Осмооные результаты работы доложены!

— на XXVII научно-технической конференции ДВПИ (г.Владивосток, ноябрь, 1932 г.); '

— на третьей научно—технической конференции молодых специалистов НИИСФ 'Актуальные вопросы строительной физики' <г.Москва,- май, 1985 г.);

— на межвузовской научно-технической конференции молодых ученых и специалистов ДЕЛИ (г.Владивосток, ноябрь, 19В5 г.);

— на научно-технической конференции молодых ученых и специалистов "Актуальные проблемы строительства" (г.Воронек, ноябрь, 19В7 г.);

— на XXX юбилейной научно-технической конференции, посвященной 70-летим ДВПИ (г.Владивосток, ноябрь, 19ВЗ г.);

— на семинарах кафедры конструирования зданий и сооружений ДБГТУ (г.Владивосток, 1990, 1991, 1992 гг.).

Объем работы. Работ» состоит из вавдония, пяти глея, заключения, списка использованных источников, приложений и спдиржиг 100 страниц машинописного текста, 33 таблицы, 12 прило>ч*ний, библно! рафию из 173 названий.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность оыбрянной темы, ставятся цель и задачи исследований.

0 первой главе анализируется современной состояние вопроса. В исследовании и проектировании систем теплоойвсгючении, использующих солнечную энергию, в настоящее время маяно оиделить лоа основным направления. Первое связано с созданием таких установок, в которых имеет места достаточно полный набор элементов«голиоприаммики, трансформаторы теплоты," аккумуляторы энергии, устройства для транспортировки холодо- и теплоносителя,системы трубопроводов, средства аато-матичеекого управления. Такие системы получили название 'актипнии'. Ко второму направлению, связанному с использованием систем, не требующих слишком дорогих материалов и применения сложного оборудования, метано отнести так называемое 'пассивные* системы.

Характерным признаком 'активных* систем является наличие теплоносителя, перемещаемого с использованием дополнительных источников энергии. В отличи от 'актизних' "пассивные* системы для своей работы нэ требумт дополнительной энергии. В них роль коллектора и аккумулятора тепла выполняет ограждающие конструкции здания (стены, пал, перекрытия), а даияенио теплоносителя (поздука) осуцестэлрется естественным путем за счет разности температур.

Используя о первом приближении сопостоеительный качественный анализ Езыигеназэакных направлений, можно прийти к следующему заключению: отличаясь от активных систем главным образом-слабыми возможностями регулирования распределения тепла о объеме здания, пассивные системы более экономичны за .счет низкой первоначальной стоимости, простоты

а»хплу.1тлции и конструктивного исполнения. Эти качества создают лучшие возможности внедрения пассипных систем и ставят проблему их пер-иомочал>.мого исследования.

Вопросам определения и классификации пассивных систем посвящены работы огечоствсиник и зарубежных ученных (Б.П.Вейнберг, В.Е.Вейн-бирг, Н.В.Харчемко, В.А. Никифоров, Ю.Чигремс, О.Барра, Дх.Иоллотт, Р.Л^'бонс, Д.Ватсон и др.).

Анализ определений, данных пассивным системам, свидетельствует о наличии трех сущостиенных свойств этих систем! использование солнечной анергии как источника поступлений теп. а; испольэоаание в функции коллектора и аккумулятора тепла только собственных конструкций здания; естественное распределение тепла е объеме здания.

Основными классификационными признаками пассивных сис.ем о ин иерархической последовательности моано считать 5

1. Целевое использование солнечной системы;

2. Принцип функционирования; .

о. Взаимное положение главных элементов системы;

Конструктивное исполнение система к целом;

5. Конструктивное исполнение элементов системы.

Исследоиания на первых трех уровнях следует отнести к фундаментальным. Цели и задачи настоящей работы определили выбор объекта исследования из четвертого уровня.

Анализ существующих конструкций пассивных систем показал, что наиболее перспективной элементом пассивных систем является комбинированная конструкция наружных стен с лучелрозрачным экраном, принцип работы которой основан на так называемом 'парниковом* эффекте.

Конструкция, состоящая из лучепрозрачного окрана, отделенного от стены ооздуц;иой прослойкой, имеет ряд преимуществ: индустриальнасть изготоиления; возможность использования различного еида остекления (которое служит оаю-гым средстоом повышения архитектурно-художественной выразительности фасадов зданий и сооружений); аозмоиность регулирования теплового и влалгностного режима воздушной прослойки; защита от атмосферной алаги и др.

Вопросам расчета теплопередачи через лучепроэрачные конструкции посвящены исследования В.А.Дроздова, В.К.Савина, Л.А.Гулабянц,

Е.И.Семеновой, Д.Стофенсома, Дж.Пэллотта и др.

Ванным теплоизолирующий элементом в паруемым стона* с лучепрозрач-нин экраном слусит замкнутая еозлушнав прослойке, типлоперенос в которой осуществляется конвекцией и излучением.

Общеприняты и оироко используится о г.рлктике теплотехнических реет чэтоа эмпирические зависимости, предложенные Л,И.Михееяын, Зккортом, Дрейком, Мак-Адомсом, Те эрон, Дропкиным, Карлсоном, Бухбергом, Еау-мон, В. К. Савиным и др. Известны исследования конвектиеного теплообмя— на в прослойках различной формы Релея, К.Ханки, А.М.Нихеей*, Дс?афрея, Яоу, Имидта, Бекмана, Кроуссольда, Г.С1айдуропа, Д.И.Бояримцеоа и др., а которых описаны основные закономерности конвективного движения газа (жидкости) о прослойкам.

вопросам разработке математической модели теплопередачи о наружным стенах с лучепрозрачным экраном посвящены работы Хоттеля, Уиллора, Бекмана, Даффи, Клейна, Митчелла». Р.Р.Анезова, С.К.Сабакулова, Н.Я.Поз, A.M.Кудрявцева и др. Однако установленные в эти» исследованиям результаты основаны на принятых упрощенных зависимостях теплообмена с внешней средой при учете только конвективной составляющей теплообмена, чтр приводит к погрешностям при теплотехнических расчетах. Неоднозначно мнение исследователей об изменчивости термического сопротивления замкнутой воздушной прослойки о зависимости от температур поверхностей. Не уточнены граничные условия при использовании конечно—разностной схемы при численном решении уравнений Фурье.

Зарубежная практика строительства представляет обширный материал по. пассивному использования солнечной энергии но только а малоэтажном, индивидуальном строительстве, но и при строительстве высотных зданий и сооружений.

Опыт практического использования солнечной анергии о странам СНГ пс; своим масштабам значительно отстает от многих зарубежных стран. Проектирование и эксплуатация зданий с пассивными системами теплоо-беспечения нуждается а дальнейших проработках и совершенствовании.

Do второй глазе приведены результаты исследований по решению следующих задач! совершенствование математической модели нестационарной теплопередачи а наруяном ограидении с лучепрозрачным

о» рлкощ си^ка оптическик к ар акт г р нет»« лучепроэрачных окраиоз; раз-^«¡'отка лучег^розрачнич «датериалоа с и елью эффективности

и* дп« э*сранс«д; разработка модели климатических еоздеЛст-ипп с сди шреп£?н.»-^1 модел»«роиан4ц?м параметров солиечноЛ радиация.

3 качество оснооы для рагра5отки математической модели теплопере— дЙчи примят Ос? пр«»дс тапит е ль нг»н фрагмент с лучелрозрачн^м экраном. К осиоаним допуц^ничм, прмн*»ть*« н »»оде»/".*», отнсс«тс« следу*«мяе: не учитывается теплое»кость и погло^ательная способность лучепрозрлчных ок-рамоы и замкнута* мозд/имик прослоек, перепад температур по тол^ино экранл; споистиа материа/о' отделъик/х злепеитоа С"*—

раКиРнии м от температуры.

нагель сиодитсн »с системе уравнении, состо«ьеи из алгебраически* ура геп/юаого баланса для лучепрозра .ник э*фаноо

»1 нелинейного сис^^ренциа/.ьксго уравнен»^ Омне^ерноА теплопгредачп через наруямун) ко*<струкцм»* с унетои баланса теплсаык потокеш на поверхности* контакте*» слоев»

Решение алгебраических ураамоннА осуществлялось с иегюльзоаани^-« метода Ньютона па разраСптахмаР* программе иа ЭВМ» ¿иуференциальное уравнение теплопередачи занекялось 1сонемно*-р а зное тнын аналогом к ре— .шалось методом прогонки »(а ЭВМ. Выходными характеристиками «атемати— ческоД модели • *шлкмтсяг полезная гячергия »«арухник стен с лучелрозр^ч^ нь-м экраном и их КПД, теплогкзтери и тепловой поток а помещение, распределение температур о ограждении.

Анализ по лучекнуч результатов показа л % что выходные харе,)стерист>5си и а тематической моде/'.-* заансит от г оптически« характеристик лу^егфоз— рамных з^сраисн; м угла падения солнечного излучения; клима-

тически к параметрое ьне-.неи среды; пзг^оиательнол способности поверхности ограадени* под экраном.

Разработана метод»^:а опзедв/сниа оптических харастер^т^с окраноэ, основанная на теории олектро/^гкитноГ} пр^оды солнечного излучения и ьп»1СаНии соойсть лу««прозрачьи* материалов осалерники ве^ичинагш (диэлектрической и иагии.тноГ'! проницаемости-*»} с иегюлъзозагаие мзеест-«их соотношений Максвелла и Снг г.г~%у с а. Летодика реализована пр*5 разработка прогрг.кмы 31"на яз^е "САЗТК*,

Статистическая обработка получение* р сулэтатса, проведенная с ис—

пол*»оаакивм матода маиманьшик квадратов по стандартной программ«» иа ЭВМ, позволила получить эмпирические зависимости оптических характеристик лучепрозрачных экранов от угла падения солнечного излучения < О > айда

F -.а с04 & + 8- , «t>

/ '

где Г - отражательная способность экрана.

Ил основе оменки оптических характеристик лучопрозрачным Материалов (стекло, оргстекло, стеклопластики и полимерные пленки) раэрабо-тана им классификация и вывалены намбалс& целесообразные типы для применения. Установлено, что по оптическим, а также физико-техническим и стоимостным характеристикам наиболее целесообразно применять з ка* естве экрана у наружныч стен с целью утилизации тепла солнечного излучения оргстекло и полимерные пленки на основе полиоииилфторида.

Решена задача по разработке модели климатических воздействии и мо— делироэания параметров солнечной радиации. Для реализации атсй задачи использованы результаты ежедневныч четырехсрочных наблюдений за температурой воздуха в течении доадцатилетнего периода (1960-19Е0 гг.) Для ^Владивостока. Параметры солнечной радиации моделировались на ЗВМ по специально созданной программе, о основу которой полояем матод «Ль»о—Дагордяано, исходными данными для которого является статистические эмачсния среднесуточной прямой и рассеянной радиации нд горизонтальную поверхность для каждого месяца.

В совокупности результаты решения рассмотренного круга задач позволили разработать инженерный метод теплотехнического расчета конструкций наружных стен с лучепроэрачным экраном.

В качестве расчетного аналога была принята традиционная однослойная керамзитобетонная панель с двухслойным лучепроэрачным окрзном. Численный эксперимент выполнен для условий ига Дальнего Востока, от— личаюшегося большой интенсивностью солнечной радиации на вертикальную поверхность по сравнению с другими районами страны в зимнее время.

Для расчетоа на основе предложенного инженерного метода была раз-' оаботана программа для ЭВМ на языке 'FORTRAN*, которая, учитывая ежечасное изменение температуры наружного воздуха и солнечной радиации,

И

позволяет аг>р(.'й»лять значения температуры экрана, не поверхностях и по с»ч»ми* нврую-юД стены, « г<км плотности тепловых потоков для оценки Эффективности ис«й кострукиии в целом.

О

Анализ результатов численного эксперимента показал, что в светлое лрь{мя с утех за с нет существенного повышения температуры поверхности наружного ограждения под экраном не только исключаются теплопотери, но и обиспечиоаатся дополнительное теплопоступление ь помещение.

В т р о т ь о й глава изложены результаты экспериментальных исследований температурного режим* ограждающих конструкций с лучипроарачным экраном.

Исследование фрагментов ограждающих конструкций с лучепрозрачным экраном проведем» в натурных условиях (г.Братск, п.Депутатский республика Саха), а климатической камере и ма экспериментальной устаноа-ке с использованием интерферометра ИЗК — (НИИСФ, г.Москва).

На основе метода априорного ранжирования, по данным, полученным в результате опроса специалистов, установлено, что наиболее значимыми факторами, оказывающими существенное влияние на процесс теплопередачи через ограждающие конструкции с лучепрозрачными арканами, следует прйзнать: ориентации» ограждения по сторонам горизонта; количество экранов; термическое сопротивление наружного ограждения; отношение высоты замкнутой воздушной прослойки к ее толщине.

Натурные исследования фрагментов ограждающих конструкций с луче-прозрачнуми экранами проводились по специально разработанной методики, которое предусматривало изучение теплозащитных свойств экранированного фрагмента ограждения путем сопоставления температурных режимов йксперииенталимога (за остекленном) и контрольного (открытая поверхность ограждения) участков. В соответсвни с задачами исследований в иоде эксперимента замерялись»

- температура наружного воздуха;

- интенсивность суммарной солнечной радиации на вертикальную поверхность ;

- температура воздуха в замкнутой воздушной прослойке;

~ температура воздуха в помещении;

- температура поверхностей лучепрозрачного экрана, поаерхностей

наружной агрлждамщвй конструкции.

В ходя натурных исследований варьировалось число экранов (от 1 до 2) с различными толщинами воздушной прослойки (от 0.03 до 0.05 и) и значение термического сопротивления ограждающей конструкции (однос— лойная керамзитобетонная панель толщиной 0.4 м и трехслойная панель .толщиной 0.3 м с утеплителем из пенополи.стирог.ьнык плита.

В результате натурных иэмерьний установлено, что максимум температуры на наружной поверхности экспериментального участка^приходится на 14-15 часов суток и наступает примерно через сыа часа после достижения максимума температуры на контрольном участке. В середине суток при температуре наружного воздуха от -20 до -25 град.С температура наружной поверхности экспериментального участка положительна и достигает значений порядка 13т2В град.С. При устройстве одного экрана (г.Братск) значении температур соответственог при -23 -(-35)град.С. наруехого воздуха +15 - +20 град.С под экраном. Столь значительное повышение температуры наруэсных поверхностей способствовало прогрезу ограждающей конструкции.

Теплозащитные качества ограждающих конструкций с лучэпрозрачным скрапом были дополнительно определены о климатической камере. Оргн— мент ограхдамией конструкции имел облицовочные Слои иэ цементно-пес— чанного раствора и основной слой из поризоеанного арболита. Лучепроз-рачный экран состоял иэ слоя оконного стекла тоииной 0.003 м.

В хода испытаний измерялись температуры воздуха а хо-гаднок и теплом отсеках камеры, температуры поверхностей панелей, воздушной прослойки, лучепрозрачного экрана, а также температуры о толщо утеплителя (арболита). Сбор и обработка полученных оксперииеитальных данных осуществлялись с помощь» автоматизированной системы ЕБИМ-З! (Германия), которая фиксировала полученные данные на ленте с помощью цифро-леча— тающего устройства.

Анализ полученных результатов показал, что при устройстве луче-прозрачного экрана с замкнутой воздушной прослойкой толщиной 0.03 м ..термическое сопротивлениа конструкции возрастает примерно на 20'/., л при толщине воздушной прослойки 0.05 м - до ЗСХ.

Исследовании процесса теплообмена а замкнутой воздушной прослойке проводились интерферометрйческии методом с пономь» интерферометра

1Г

ИЗК-454 (Маха-Цендора>. Установка представляет собой каркас размерами 650x150x400 мм. Воздушная прослойка образована, с одной стороны, стеклом толщиной 0.003 m с теплофизическими характеристиками!Л С0.7Ь Вт/мХград.С,^=2500 кг/куб.м, а,с другой — тепловой камерой, в качестве теплоносителя в которой используется пода. Прогрев воды ведется с использованием термостата с автоматической поддержкой температуры воды на определенном уровне.

Имитация солнечного излучения осуществлялась с помощь» специальной уст .нопкЗ-t, оснащенной лампами 3IC 220-500-2 " (ТУ 1 ¿>-535-575-77), спектр излучения которых максимально приближается к солнечному и выпуск которых налажен на заводе МЭЛЗ (Москва).

Проведенные исследования позволяют сделать выводы о том, что в замкнутых воздушных прослойках с отношением высоты к талшине боле© 10 интенсивность конвективного теплообмена зависит от толщины пограничных слоев, образующихся около вертикальных поверхностей прослойки.

В результате обработки интерферограмм установлены значения коэффициентов теплоотдачи замкнутой воздушной прослойки, которые совпадают со значениями, полученными ранее о исследованиях В.К.Савина.

Показатели температурного поля, полученные в результате натурных экспериментов, показали удовлетворительную сходимость с результатами расчетов, выполненных с помощью физико-математичс коГ( модели, что подтверждает корректность разработанной модели и возможность ге использовании для теплотехнических расчетов ограяда»щих конструкций с лунепрозрачным скрапом в лкбык условиях, о том числа и ь условиях ига Дальнего Востока.

В четвертой главе излоиены результаты анализа климатических .услизий »га Дальнего Востока.

Своеобразно природно-климатических условий Дальнего Востока ввилась причиной проседения больших исследований в о<=ласт1 строительной климотологни и получило отражение в работах Я.В.Стоценко, А.й.Цвида, Н.С.Рябова, В.К.Лицкзоича и многих других

0д)-;ой из первых работ по изучении! температур но—влажностного режима поме :ек.)й и ограждений z условиях Дальне, о Востока язилась работа О.П.Гуртоо!- j. Дальнейшее? развитие этой проблемы получило в работах

Л»га. Прск, А.Н.Рябооа, Л.Б.Векслера, З.П.Рудакова, Я.В.Родина.

Выявленные особенности климата юга Дальнего Востока ставят задачу поиска нетрадиционных рэсений вопросов теплообеспечемия эданий и долговечности их конструкций. 'Косые* дожди (при высокой скорости ветра ) | длительные осадки «алой интенсивности летом, высока« влажность воздуха при низких температурах,приводят к существенному увлахненил мгрухкык ограждении, неуспевающих просыхать tc зимнему периоду. В тохе орем» з.чачитьльиыг ie десятки раз) увелзтчение циклов заморакиоания и оттаюамия стен «жной ориектаиии, воздействия сильных зимних ветров при низкой температуры на стены других ориентации, приводят к резкому сскрас.-еми* сроксп o<cn/tyaTauvtn наружных ограждений. Вместе с эт»»м, я*»ссксе напр^хе+шэ солнечной радиации при большом количестве ясных, безоблачных дней создает самые благоприятные предпосылки для исполь— зоза«-!« солнечной :>нергиг»? длч эксплуатации зданий.

Применение лучепрозрачных экрансе на ограэсдгки^их конструкциях позволяет комплексно решить вопросы долговечности и теплсобеспечении эдандей. Лучепрозрачкый зкран прежде всего защищает стены кпкной ориентации от уелажнения и вместе с этим за счет парникового эффекта снимает проблему резких колебании темпер атуры ограждения. Все эта приведет к сокращению эксплуатационных расходов за счет существенного упе— л*тчемия межремонтного периода. Применение же специальных объемно—пла— мирosочны* решений зсаний, при которых болызая часть помещений ориентирована на кхнум» сторону, паза о лит эффективна исполь эозать в раГ-онах »#га Дальнего Востока солнечную омергию для теплообеспечения.

CytiiecTey»oa,viQ методики учета воздействия солнечной радиации на ог—• KOHCTpyjcuit«^ нэ позволяет учитывать особенности прихода сол— нг-чмсА энергии а рассматриваемом регионе. Введекиз раЗдич- ^ исследователями пс-праеочных коэффициентов только длй «га Дальнего Востока свидетельствует с5 этик особенностях, но позволяет учесть кч хи^ь в самом первом приближения. Для более правильного и точного учета атих особенностей кеобходима разработка специальных методик.

Применен«© .лучепразрачкых экранов в летний период поз с г тнт за счет тепяозого Эффекта -г рзссеякг-зЛ радиации периодически протаплиаать помещения. На кеоихсдчг-.ссть зтего о связи с высокой здахнос*»» воздуха и низкой его температурой неоднократно указывал Цвид A.A., мд при

существующих системах теплоснабжения решить этот вопрос не представлялось возможным. '

В пятой главе изложены результаты исследований по оценке технико-экономической эффективности конструкций наружных стен с лучзпрозрачным экраном.

Анализ исследований зарубежных и отечественных специалистов позоо- ' ляет определить круг показателей и факторов, влияющих на. эффективность использования солнечной энергии в объектах гражданского строительства, а именно: уровень цен на солнечные установки; уровень цгн на органическое топливо; затраты энергии на производство материалов солнечной системы, ее монтаж, наладку и эксплуатацию; тип солнечной системы; вид и стоимость приемника солнечной энергии; теплоемкость аккумулятора тепла; уровень тепловой изоляции зданий.

Анализ методов определения эффективности солнечных систем показал, что сегодня не существует общепринятой методики технико-экономического сравнения систем, использующих тепло солнца, с традиционными системами теплообеспечония.

В саиом общем виде можно выделить два подхода в определении критерия эффективности стоимостной и' энергетической, каждый из которых разработан достаточно полно и подробно.

Исходя из того, что использование стоимостных оценок на сегодня опасно в связи с исключительной нестабильностью цен во времени и по территории России, эа основной был принят расчет энергетического аффекта. Так как перевод энергетического эффекта в стоимостной но составляет особого труда, он а данном случае играет роль фундаментального критерия.

Наиболее приемлемыми для оценки энергетической эффективности являются критерии, предложенные Табунщикоеым U.A., суть которых состоит п рассмотрении здания как единой системы, тепловая эффективность которой определяется комплексом архитектурных, конструктиэно-планиривоч— ных и инженерных решзниД, сСеспечивающих нормируемые теплооей и воздушный ресимы ь помещениях при определенных затратах тепловой энергии.

Преимущества этих критериев силятся в следукцэм:

во-первых, они рассматривают здания как единую теплоэнергетическую систему, вклк»чак:1цун) три взаимосвязанный подсистемы: наружный климат, оболочку здания, внутренний микроклимату

во-вторых, да«>т оозмоимость проводить оптимизацию тепловой эффективности раздельно по каждой подсистеме и по энергетической системы я целом;

в-третчх, через определение величин суточных теплопотерь (затраты теплояои энергии на обогрев) здания как системы можно установить осе факторы, влияющие на эффективность системы в целом:

в четвертых определение энергетического эффекта (экономию топлива) позволяет через замыкающие затарты нл анергию выйти на определение экономического эффекта а стоимостном выражении.

Так как а основе выбранные критериев энергетической эффективности лекмг определение теплопотерь здания, то, о принципе, мою-ю с жполь— эозагься традиционными методами их определения. Однако, в существующим методах кгк раз отсутстоует возможность представление здания как единой теплоэнергетической системы (наружный климат + оболочказдамия + внутренний микроклимат) и учета эффективности отдельных подсистем.

В связи с тем, что в самих принятых критериях заложен общеметодо— логический (системный) подход, представляет возможным разработать методику расчета этик критериев.

Метод определения энергетического эффекта основан на научном понимании тепловых процесгоа 2 пассивных системах и на создании мог^ли, адекватно отражающей функционирование реальной моделируемой системы о разнообразных условиях.

Наружны*» ограждения здания разбиваются на две группы и расчетные теплопэтери определяется для кз-едой группы отдельно. 1С пе;'^ой группе относятся наружные сграггдения с лучепрозрачньм экраном, к второй — □ се остальные нгруасные ограиденип.

С целы« определения расчетным теплопотерь ^-"рез наружные конструкции с лучепрозрачкым экраном Еыра^им сопротнзлениэ теплопередачи зтин конструкций как *

=»/> еп

где Кк + сопротивление теплопередачи меаду наружной пооер-

хностыо ограждения и наружным воздухом и включает о себя термические сопротиоления экрана и воздушной прослойки.

Следовательно, оСиме теплопотери помещения можно представить как

( з )

где ч — удельная тепловая характеристика здания, Вт/м К.

Величина ч определяет расчетные теплопотери 1 куб.м здания, отнесенные к разности температур о 1 град, и ьключает с себя удельные теплопотери через ограждения за счет теплопередачи, удельный расход тепла на нагрев инфильтрирующего аоздуха.

В сеязи с наличием лучепрозрачного зкрана на наруиной поверхности ограждения, произведена модификация солнечно-воздушной температуры

Коэффициент теплообмена наружной поверхности о уравнении <4)

»«Г

идентичен величине 1/П0, а коэффициент логлащения тепла солнечной радиации поверхностью ограждения идентичен оеличина <ТвО - погяоиа-тельно-пропускательной способности лучепроэрачного охрана. Следовательно, модифицированное значение солнечно-воздушной температуры мом-но представить как '

Таким образом, реальная теллофизическая модель здания может быть представлена в оиде зависимости суточных теплопотерь помещения, отнесенных к 1 ко.м наружного огракде-ния Ф

а-+ ,

где к — 1 /Г'0 - коэффициент теплопередачи.

Анализ Еьраяения ( Ь > показывает, что при > поваляется

теплодой поток, протиаополо^ый потоку, соответствующему теплопотерлм

пзнвщвния. Э евпяи с этим нокно прчлполокити, чта при ^ сушеег-

ауит такие значения прямого и обратного тепловых потоков, при которых суммарный поток Ч » О, что соответствует оптимальному значению толщины стены.

С целью определения оптимальной толщины наружного ограждения с лу— чепрозрачным экраном введем безразмерный коэффициент сопротивления, равный

X = Р+ ( 7 >

С учетом выракения ( 7 ) преобразуем выражение ( 6 ) как

Согласно выракения ( О ) вычислены зависимости значения д от г для каждого месяца холодного периода года. В качестве альтернлтипного аналога наружной стены принята традиционная однослойная керамзитобз-тонная панель с устройством одног- и двухслойного лучепрозрачного экрана. Расчеты выполнялись для условий ига Дальнего Еостока.

Анализ полученных результатов показал, что при устройстве однослойного лучепрозрачного экрана (стекло толщиной 0.003 м) и замкнутой воздушной прослойки (толщиной 0.1 м> оптимальное значение толщины наружной . стены (для октября месяца) соответствует значению г = 0.5 м. Из выражения ( 7 ) значение &овт' с учетом ^ =0.41 Бт/кв.м.град.С) равно

< 9 .)

С увеличением значения коэффициента теплопроводности ) соответственно увеличивается и значение оптимальной толщины ограждения.

Установлено, что при устройстве двухслойного лучепрозрачного экрана у однослойной керамзитобетоннай панели для условий. юга Дальнего Востока экономия топлива мажет составить 0.02 т у.т на 1 кв.м обогреваемого помещения за отопительный период.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

Выполненная работа по теме "Наружные ограждения зданий с лучепроз-рачным экраном в условиях юга Дальнего Востока" дала следующие результаты: •

»

1. Установлено, что в исследовании и проектировании систем теплоо-бос печения, использующих солнечную энергию, настоящее время моино вы--делить два основных направления - активные и пассивные системы.

2. На основа анализа определения данных пассивным системам, определена суиестпемнье свойства этих систем, а именно: использование солнечной энергии как источника поступления тепла; использование в функции коллектора и аккумулятора тепла только собственных конструкции здания; естественное распределение* тепла в объеме здания.

3. Определены основные классификационные признаки пассивных систем:

— целевое использование солнечной системы;

— принцип функционирования;

— взаимное! полоае^ие элементов системы;

— конструктивное исполнение системы о целом;

— конструктивное исполнение элементов системы.

4. Установлено, что наиболее перспективными конструкциями пассивный систем представляются комбинированные конструкции наружных стен с лучепроэрачным, экраном, отличающиеся прост, той конструктивного исполнения и высокой тепловой эффективностью.

£3. Разработан алгоритм и создана программа на ЭВМ по определению параметров солнечной радиации по методу Яь«—Длордзгано, основанного на отношении среднесуточной полной радиации на горизонтальную поверхности (по дан:-!-, ¡ч метеонаблюдочий) к внезш ной среднесуточной радиация, падакн й м.а .горизонтальную поверхность.

6. Разработана методика и создана программа на ЭВМ по определение оптических характеристик экрана с учетом толщины и физических свойств материала, длины волны и угла падения солнечного излучения.

7. Установлено, что по оптический, физика-механическим и стоимостным характеристикам наиболее целесообразно применение о качестве лу— чопрозрачного экрана оргстекла и полимерных пленок на основе полиаи— нилфторида.

0. Выявлена зависимость интенсивностии конвективного теплообмена о замкнутой воздушной прослойка от разности температур поверхностей и отношения высоты прослойки к ее ширине.

На основе обработки интерферсметрическик данных получены формулы для определения локальных и средних коэффициентои теплоотдачи для замкнутой воздушной прослойки с отношением высоты прослойки к ее ширина более 10.

9. Разработана математическая-модель теплопередачи через огралда— кздуи конструкцию с лучепрозрачним окраном, реализованная на ЗЕМ и позволяющая выявить функцианальнум зависимость сопротивление теплопередачи от количества экранов, раэмероз ооздушных прослоек и теплофи— зических свойств материалов ограждения.

10. На основе результатов исследований разработан инженерный м«тод теплотехнического расчета наружных стен с лучепрозрачным экраном, который позволяет определять уровень теплозащиты различии* типов ограждения в различных климатических условиях. Показано, что разработанной иныенернуй метод теплотехнических расчетов позволяет комплексно решать ¡зопросы долговечности н тепгообеспечения зданий. Методика под— твэрядь-на в натурных и лабораторных исследованиях и ог.робоаана а реальном проектировании.

11. На оснойе планирования езкеперимен га с помощь« метода априорного ран»-1розания получени факторы, наиболее существенно алигания на проведение экспериментальных исслсгдозаний, а именно:

-ориентации ограждающей конструкции;

—количество лучепрозрачных слоев;

-скорости движения воздуха в прослойке;

-термическое сопротивление ограждающей конструкции;

-отношение высоты прослойки к ее толщине.

1?.. В результате натурного эксперимента установлено, -что е светлое время дня под воздействием солнечной радиации тепловой поток черев огражда)С14ую конструкцию под лучепрозрачным экраном меняет свое направление на противоположное, что обеспечивает дополнительные тепло-поступления в помещения.

13. Показано, чте устройсто лучепрозрачного экрана с замкнутой воздушной прослойкой (толщиной 0.03 м> увеличивает сопротивление теплопередаче в среднем на 20X;

14. Проведен анализ климата Дальнего Востока, а результате которого были выявлены уникальные возможности с помощь» наружных конструкций с лучепрозрачным экраном одновременно решить вопросы долговечности нзрухных стен и тс-плообэспечения зданий, имеющих для данного региона наиболее существенное значение.

15. Показано, что применение лучепрозрачных экранов на ограждающих конструкциях позволяет комплексно решать аопросы долговечности и теп-лообеспечения здания.

16. Разработана методика определения оптимального значения толщины наружного ограждения с учетом влияния климатических воздействий, количества лучепроэрачных экранов и теплоСизических свойств материала наружного ограждения.

Установлены сптимальмые значения толщины ограждения для отопительного периода (длч услоыий г.Владивостока) с различным количеством экранов и без них. ПоЛучечныо значения совпадают с данными, полученные другими исследованиями.

17. Ра»р*бат«.на методик* определения эффективности систем с использованием конструкций наружным стен с лучепоозрачным экраном.

Установлена аоаможность представления здания как единой теплоэнер-гс. гической системы, включающей в себя наружный климат, оболочку здания и внутренний микроклимат.

1В. Установлено, что при устройстве даухслойного лучепрозрачного экрана у однослойной керамзигобетонной панели для. условий юга Дальнего Востока экономия топлива может составить 0.02 т у.т на 1 кп.м обогрес 1емого помещения за отопительный период.

. 19. Сделан окончательный аыаод об энергетической и экономической эффективности применения конструкций наружных стен с лучепрозрачныч экраном в условиям ига Дальнего Востока.

ПУБЛИКАЦИИ ПО РАБОТЕ

1. Сафроноа В.К. Теплотехнические свойства наружным стен со свето-проэрачнын экраном // Экспресс-информация ЕНИИИС. Инженерно—теоретические основы строительстаа.-М.,1985.- вып. 9.- С. 12-15.

2. Сафронов В. К. Теплотехнические исследования стен со сеетопроз-рачныни экранами // Архитектура и строительство: Межвузовский сборник / ДБПИ.— Владивосток, 1935.- С. 58-90.

3. Сафронов В.К. Теплотехнические изследоягния стен с полупрозрачными экранами при воздействии (имитации) солнечного излучения // Актуальные вопросы строительной физики: Краткие тезисы третьей научно-технической конференции молодых специалистов, 20-22 мая 19G5 г. / Госстрой СССР, НИИСФ.- М., 1987.

4. Сафроноа З.К., Пилюгина H.H. Методика определения кнтьтральных оптических характеристик материалов прозрачного ограждения //Лктуаль-нце проблемы строительства: Тезисы докл. / НТК молодых ученых и спе-циалистоо Минстройматериалов СССР и Минвуза РСФСР.— Воронен, 1937. с. 09.

5. Слфроноы B.K.« Иа«нов Г.С. Методика определения интегральных оптическим характеристик материалоэ прозрачного ограждения // Совершенствование проектирования и строительства на Дальнем Востоке / Ней— вузовский сборник научных трудов.- Владивосток, 1990. с. 63.

6.Сафронов В.К. (о соааторстов с Бараном В.А., Баранова Т.П., Цаид A.A.) Строительство в природно-климатических условиях Дальнего Востока / Учебное пособие.- Владивосток, 1990. с.92.

7. Сафронов В. 1С., Баранов В.А. Использование солнечной анергии в системе теплозащиты здания /В Юбилейном сборнике HaysHtix трудов ДВГТУ. (сдана в печать).— Владивосток, 1993.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И РАЗМЕРНОСТИ

— расчетная температура внутреннего воздуха, град.С; "t - расчетная температура наружного воздуха, град.С)

(с*) -

приведенное значение поглощательно-пролускательной способности лучепрозрачного экрана;

X — интенсивность суммарной солнечной радиации, Вт/кв.м;

— сопротивление теплоотдаче наружной поверхности экрана, ка.м град.С/Вт;

R. ^ — термическое сопротивление замкнутой поздущнай прослойки, кв.м град.С/Ьт;

Rj- — термическое сопротивление наружной стены, ки.п-грай.С/Вт;

С<. — коэффициент теплообмена, Вт/кв.м град.С;

JD — коэффициент поглощения тепла солнечной радиации нарукнсй поверхностью ограждения.