автореферат диссертации по строительству, 05.23.03, диссертация на тему:Обеспечение требуемого теплового режима зданий с невентилируемыми крышами в теплый период года

На правах рукописи

00505»»°'

ЖУКОВ АРТЕМ НИКОЛАЕВИЧ

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТРЕБУЕМОГО ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ЗДАНИЙ С НЕВЕНТИЛИРУЕМЫМИ КРЫШАМИ В ТЕПЛЫЙ ПЕРИОД ГОДА (НА ПРИМЕРЕ ВОЛГОГРАДСКОЙ ОБЛАСТИ)

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

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

16 МАЙ 2013

Волгоград-2013

005058681

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Перехоженцев Анатолий Георгиевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Еремкин Александр Иванович, ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства», заведующий кафедры «Теплогазоснабжение и вентиляция»

кандидат технических наук, Ларин Олег Александрович, ГБУ города Москвы «Центр экспертиз, исследований и испытаний в строительстве», начальник лаборатории по проведению экспертиз

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Ростовский государствен-

ный строительный университет»

Защита диссертации состоится «29» мая 2013 г. в 10-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.026.01 при ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 400074, г. Волгоград, ул. Академическая, 1 ауд. Б -203.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет».

Автореферат разослан «26»апреля 2013 г.

Пшеничкина Валерия Александровна

Ученый секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

Обеспечение требуемого теплового режима в помещениях жилых и общественных зданий необходимо для здоровья человека и создания оптимальных условий жизнедеятельности. При оценке теплового комфорта температура внутреннего воздуха в помещении зависит непосредственно от температуры внутренних поверхностей ограждающих конструкций здания.

Однако такие климатические факторы, как высокая температура наружного воздуха, жаркое продолжительное лето и значительная интенсивность солнечной радиации, присущие южным регионам России, приводят к перегреву ограждающих конструкций зданий.

Наиболее подвержены перегреву в теплый период года невентилируемые совмещенные крыши жилых и общественных зданий, в том числе детских дошкольных и общеобразовательных учреждений. В Волгоградской области около 60% зданий от общего фонда имеют данную конструкцию крыши. При этом перегрев внутренней поверхности совмещенной крыши значительно влияет на микроклимат в помещениях, в результате чего для поддержания комфортных условий вынуждены использовать системы кондиционирования воздуха и вентиляции.

Существенным недостатком метода расчета по СНиП ограждающих конструкций на теплоустойчивость является расхождение расчетных параметров с натурными данными. В реальных условиях эксплуатации зданий наблюдается перегрев внутренней поверхности ограждающей конструкции, который ведет к повышению температуры внутреннего воздуха в помещении выше допустимой по санитарно-гигиеническим требованиям.

Натурные исследования, проведенные автором диссертационной работы и другими учеными, показывают, что показатель тепловой инерции и амплитуда суточных колебаний температуры внутренней поверхности наружных ограждений не являются определяющими параметрами, обеспечивающими требуемую температуру внутренних поверхностей ограждающих конструкций и, соответственно, комфортную температуру воздуха в помещении.

Кроме того, ГОСТ 30494-96 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях», СанПиН 2.1.2.2645-10 «Санитарно-эпидемиологические требования к условиям проживания в жилых зданиях и помещениях» и СанПиН 2.2.4.548-96 «Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений» регламентируют не амплитуду колебаний внутренних поверхностей ограждений, а устанавливают гигиенические требования к температуре внутреннего воздуха в помещении, внутренних поверхностей ограждающих конструкций и результирующей температуре.

При проектировании зданий, в которых должны обеспечиваться требуемые параметры микроклимата, необходимо более точно учитывать влияние климатических воздействий, в частности, изменение интенсивности солнечной радиации в течение суток, на температурный режим различных конструктивных решений наружных ограждений. Для прогнозирования температурных режимов наружных ограждающих конструкций целесообразно использование современных надежных методов компьютерного программирования.

Исследования, направленные на обеспечение требуемых температурных параметров в существующих зданиях в теплый период года за счет повышения теплозащитных свойств ограждающих конструкций и разработку надежных методик численного компьютерного моделирования тепловых процессов в ограждении являются весьма актуальными на сегодняшний день.

Цель работы - разработка мероприятий по обеспечению требуемого теплового режима в помещениях существующих жилых и общественных зданий с невентилируемыми совмещенными крышами в теплый период года путем снижения радиационного нагрева наружной поверхности и повышения тепловой защиты данных конструкций и разработка методов расчета ограждающих конструкций на перегрев с учетом влияния солнечной радиации, обеспечивающих требуемые параметры внутреннего воздуха в помещении для вновь проектируемых зданий.

Для достижения поставленной цели в работе были решены следующие задачи:

- проведен анализ существующих методов оценки тепловой устойчивости помещений и многослойных ограждающих конструкций;

- выполнены натурные исследования теплового режима помещений и конструкции невентилируемой совмещенной крыши эксплуатируемого здания в теплый период года и произведена оценка соответствия параметров микроклимата действующим санитарно-гигиеническим требованиям и стандартам;

- исследована интенсивность солнечной радиации в суточном цикле;

- внесены уточнения в алгоритм расчета нестационарной теплопроводности многослойных конструкций на основе метода конечных разностей в части задания краевых условий;

- разработана компьютерная программа расчета нестационарной теплопроводности ограждающих конструкций с учетом влияния изменения солнечной радиации в зависимости от времени суток;

- проведено численное моделирование температурных режимов различных конструктивных решений невентилируемкх совмещенных крыш с дополнительным теплоизоляционным слоем, в климатических условиях Волгоградской области, с целью определения оптимального варианта повышения теплозащитных свойств ограждающих конструкций;

- проведен расчет теплопоступлений через конструкцию невентилируемой крыши в теплый период года и расхода тепловой энергии в течение отопительного периода;

- разработан инженерный метод расчета ограждающих конструкций на перегрев в теплый период года с учетом влияния солнечной радиации, обеспечивающий требуемые параметры теплового режима в помещениях.

Методы исследования включали: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, экспериментальные и натурные исследования, физико-математическое моделирование изучаемых процессов, математическую обработку экспериментальных данных.

Научная новизна работы:

- усовершенствован алгоритм расчета нестационарных температурных полей многослойных ограждений в части учета влияния климатических воздействий на горизонтальную ограждающую конструкцию от изменения интенсивности солнечной радиации в течение суток и температуры наружного воздуха;

- установлена зависимость интенсивности солнечной радиации в заданный момент времени суток от измеренной максимальной интенсивности;

- разработан программный продукт расчета температурного режима ограждающих конструкций «Тер1о$о1 1.0», позволяющий прогнозировать тепловой режим в помещениях и ограждающих конструкциях в теплый период года при проектировании и реконструкции зданий (свидетельство о гос. регистрации программ для ЭВМ № 2013610364; № 2012660091; заявл. 21.11.2012; зарег. в Реестре программ для ЭВМ 09.01.2013 г.);

- на основе численного моделирования определен оптимальный вариант повышения теплозащитных свойств невентилируемой совмещенной крыши исходя из условий обеспечения требуемой температуры внутренней поверхности ограждения, минимально допустимого сопротивления теплопередаче и снижения теплопоступлений через ограждающую конструкцию в помещение;

- разработано светоотражающее теплоизоляционное покрытие (патент «Теплоизоляционное покрытие» № 118654 Рос. Федерация Е04В 1/76. №2012106531/03; заявл. 22.02.12; опубл. 27.07.2012, Бюл. №21), позволяющее снизить теплопоступления через невентилируемую крышу на 30% в теплый период года и снизить радиационный нагрев наружной поверхности ограждения на 15 - 20 °С.

Практическое значение работы заключается в разработке инженерного метода расчета ограждающих конструкций на перегрев с учетом влияния интенсивности солнечной радиации в теплый период года и обеспечения допустимой температуры внутренней поверхности ограждения по санитарно-гигиеническим нормам и стандартам.

Разработанный метод расчета позволяет обеспечить требуемые параметры температурного режима в помещениях верхних этажей для вновь проектируемых жилых и общественных зданий, с целью сокращения расходов на системы вентиляции и кондиционирования воздуха в теплый период года.

Разработанный инженерный метод обладает новизной и рекомендуется использоваться при проверке ограждающих конструкций на теплоустойчивость в теплый период года совместно со стандартной методикой СНиП.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована применением классических положений теоретического анализа, моделированием изучаемых процессов, планированием необходимого объема экспериментов, подтверждена удовлетворяющей требуемым критериям сходимостью и оценкой надежности полученных результатов экспериментальных исследований, выполненных в натурных условиях.

Соответствие паспорту специальности 05.23.03 «Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение» диссертационной работы в части разработки научно-технических решений создания микроклимата в помещениях зданий, обеспечивающих требуемый температурный режим в помещениях, соответствующий санитарно-гигиеническим требованиям. Область исследований, проведенных в диссертации, соответствует п. 4 «Климатологическое обеспечение зданий и климатические воздействия» в части исследования влияния солнечной радиации на микроклимат в помещениях верхних этажей жилых и общественных зданий с невентилируемыми крышами совмещенного типа, а также п. 5 «Тепловой, воздушный и влажностный режимы зданий различного назначения, тепломассообмен в ограждениях» в части исследования теплового режима в помещениях зданий с невентилируемыми совмещенными крышами и разработки инженерного метода расчета ограждающих конструкций зданий на перегрев с учетом влияния солнечной радиации в теплый период года.

Внедрение результатов исследований.

- методика расчета теплового режима многослойных конструкций зданий на перегрев в теплый период внедрены при проектировании жилого многоквартирного дома в ООО «Универсалпроект»;

- рекомендации по повышению теплозащиты невентилируемых совмещенных крыш использованы при строительстве общественного здания в ООО ПКФ «КРОНТЕХ»;

- материалы диссертационной работы использованы в учебном процессе кафедры «Архитектура» ВолгГАСУ при проведении практических и лабораторных занятий по курсу «Теплозащита ограждающих конструкций» для специальностей 270102 «Промышленное и гражданское строительство», 270301 «Архитектура».

На защиту выносятся:

- результаты натурных исследований, характеризующие температурный режим в помещениях здания школы с конструкцией невентилируемой совмещенной крыши типовой серии 2Р-02-1 в теплый период года;

- методика учета краевых условий изменения интенсивности солнечной радиации в течение суток и температуры наружного воздуха по натурным измерениям;

- алгоритм и программный продукт «Тер1о5о1 1.0», позволяющий проводить расчет температурных полей многослойных конструкций в течение заданного периода времени, определять температурный режим в помещениях в теплый период года с учетом влияния солнечной радиации в течение суток;

- результаты численного моделирования по программе «Тер1озо11.0» температурных режимов конструктивных решений невентилируемых крыш с дополнительными теплоизоляционными слоями для повышения теплозащитных свойств ограждающих конструкций с целью обеспечения требуемой температуры внутренней поверхности;

- инженерный метод расчета ограждающих конструкций на перегрев в теплый период года, обеспечивающий требуемые параметры микроклимата в помещениях.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета (Волгоград, 2010, 2011, 2012 г.г.), на XI Международной конференции «Качество внутреннего воздуха и окружающей среды» (Ханой, 2013 г.), на XII, XIX Международных конференциях «Технические науки - от теории к практике» (Новосибирск, 2012, 2013 г.г.), на XVIII Международной конференции «Инновации в науке» (Новосибирск, 2013 г.), на Межрегиональном форуме «Энергосбережение и энергоэффективность. Волгоград -2013» (Волгоград, 2013 г.).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 18 научных работ, из них по теме диссертационной работы 10 работ, в том числе 2 статьи опубликованы в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, включенных в список ВАК РФ, 1 патент на полезную модель и 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка и приложений. Общий объем работы 153 страниц, в том числе: 127 страниц - основной текст, содержащий 10 таблиц на 12 страницах, 35 рисунков на 31. странице; библиографический список из 192 наименований на 18 страницах, 2 приложения на 6 страницах, документация на 2 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель работы, основные задачи, указаны научная новизна и практическая значимость, представлены данные о соответствии диссертации паспорту специальности, практическом внедрении результатов работы и выносимые на защиту положения, степень апробации и научные публикации автора, приведены сведения об объеме и структуре диссертации.

В первой главе диссертации отмечается вклад отечественных и зарубежных ученых в развитие теории теплоустойчивости помещений и наружных ограждений, решению задач нестационарной теплопроводности многослойных ограждающих конструкций и исследованию тепловых режимов в помещениях в теплый период года. Среди них следует назвать В. Н. Богословского, О. Е. Власова, А. И. Еремкина, В. В. Иванова, И. А. Кожинова, А. В. Лыкова, В. Д. Ма-чинского, А. Н. Могилата, С. И. Муромова, А. Г. Перехоженцева, И. И. Сахно, Г. А. Селиверстова, JI. А. Семенова, Н. П. Сигачева, Е. И. Угрюмова, К. Ф. Фокина, В. JI. Чаплицкую, М. В. Шаприцкую, А. М. Шкловера, Е. R. G. Eckert, R. М. Drake, J. Rehanek.

В теплый период года комфортные условия теплового режима в помещениях зависят от температуры внутреннего воздуха и температуры поверхностей ограждающих конструкций, которая зависит от их тепловой устойчивости. Известные инженерные методы расчета на теплоустойчивость в теплый период года основаны на определении расчетной амплитуды колебаний внутренней поверхности ограждающей конструкции и сравнении её с нормативной. При этом важную роль играет величина затуханий расчетной амплитуды колебаний наружного воздуха в ограждении, которая зависит от теплофизических параметров материалов многослойной конструкции. Однако, существующие методы расчетов, представленные в строительных нормах, не учитывают влияние температуры внутренней поверхности ограждения на требуемые санитарно-гигиенические и комфортные параметры внутреннего воздуха в помещениях в теплый период года в климатических условиях юга России.

В результате натурных исследований и проведенного анализа тепловых режимов в помещениях существующих жилых и общественных зданий с конструкциями невентилируемых совмещенных крыш были выявлены основные проблемы, связанные с превышением температуры внутреннего воздуха в помещениях верхних этажей выше допустимой, вследствие недостаточной тепловой устойчивости данных конструкций и перегревом в теплый период года в условиях юга России.

На основе аналитического обобщения научных источников определены цели и задачи исследований.

Во второй главе диссертации представлены результаты натурного исследования теплового режима в помещениях верхнего этажа северной ориентации существующего здания школы с конструкцией невентилируемой совмещенной крыши по типовой серии 2Р-02-1 в июле - августе в период года с наиболее высокими температурами наружного воздуха и интенсивностью солнечной радиации.

Методика проведения измерений и обработка результатов эксперимента была выполнена в соответствии с требованиями ГОСТ 26253-84 «Здания и сооружения. Метод определения теплоустойчивости ограждающих конструкций».

Основные измерения проводились с помощью измерителя плотности тепловых потоков и температур 10-канального ИТП МГ-4.03/Х(1) «Поток». Для измерения температур поверхностей, плотности тепловых потоков, температуры внутреннего и наружного воздуха устанавливали датчики прибора на внутренней и наружной поверхностях исследуемой конструкции, а также внутри помещения здания. Модуль электронного измерителя ИТП МГ-4.03/Х(1) «Поток» был запрограммирован на непрерывную запись в течение 10 суток измерений температур и тепловых потоков с интервалом в 30 минут.

Для определения теплоустойчивости ограждающей конструкции невентилируемой совмещенной крыши в качестве расчетных значений были приняты результаты трех суточных циклов испытаний с наибольшей повторяемостью измеряемых параметров (рис. 1).

70

О

I £ I! § ! * 1 1 В I * ! * * ! В I 5 I ! В I * | ? * * ? ? ? ? ? ? ? ?

Время, час

Рис. 1 Результаты суточных измерений температурных распределений

1 - температура наружной поверхности крыши, °С,2- температура наружного воздуха, °С; 3 - результирующая температура в помещении, °С, 4 - температура внутреннего воздуха в помещении, °С.

Полученные результаты расчета конструкции невентилируемой совмещенной крыши типовой серии 2Р-02-1 свидетельствуют о недостаточных тепло-

защитных свойствах ограждения. Под действием высокой температуры наружного воздуха и значительной интенсивности солнечной радиации наружная поверхность крыши нагревается до + 60 "С ... +63 "С, что приводит к перегреву конструкции и повышению температуры внутренней поверхности до + 33 °С ... +35 °С, в результате не обеспечиваются санитарно-гигиенические нормы, предъявляемые к температуре внутренних поверхностей ограждений. При этом по результатам расчета на теплоустойчивость конструкция также не удовлетворяет действующим требованиям. Так, приведенная амплитуда колебаний температуры внутренней поверхности, по результатам натурных исследований, составляет А,"р = 4,3 °С и превышает требуемую Лттр = 2,2 °С, определяемую по СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» в 1,9 раз. Также наблюдается значительное расхождение расчетных параметров по СНиП (Агв =1,0 °С) и измеренных в натурных условиях (Аг"р =4,3 °С).

Исходя из анализа общих теплопоступлений через наружные ограждающие конструкции и световые проемы в помещения верхнего этажа здания, было выявлено, что через невентилируемые совмещенные крыши поступает около 60% от общего количества теплоты. При этом ввиду ориентации исследуемых помещений и устройства солнцезащитных устройств на окнах в ходе исследования, существенное влияние на результирующую температуру оказывает температура внутренней поверхности невентилируемой крыши.

Результаты исследования параметров микроклимата в помещениях верхнего этажа и сравнение их с требуемыми параметрами по ГОСТ представлены в табл. 1.

Таблица 1

Параметры микроклимата помещении верхнего этажа северной ориентации

здания с невентилируемой совмещенной крышей

Параметры Измеренные в натурных условиях (июль - август) Требуемые параметры по ГОСТ 30494-96 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях».

Оптимальные Допустимые

Температура воздуха в помещении, °С 33-34 23-25 18-28

Результирующая температура, °С 31-32 22-24 19-27

Относительная влажность, % 40-50 60-30 не более 65

Скорость движения воздуха, м/с 0,2-0,3 не более 0,3 не более 0,5

Недостаточные теплозащитные свойства невентилируемой крыши приводят к существенному превышению параметров микроклимата в помещениях

верхнего этажа существующего здания, при этом не обеспечиваются допустимые значения температуры воздуха в помещении и результирующей температуры. Превышение температуры воздуха в помещении и результирующей температуры над оптимальной составляет 8 - 9 °С, над допустимой 5 - 6 °С.

На основании проведенного натурного исследования было определено направление исследований по разработке эффективных мероприятий по повышению теплозащитных свойств невентилируемой крыши с целью обеспечения требуемых параметров теплового режима в помещениях и удовлетворению действующих строительных норм, предъявляемых к ограждающим конструкциям, и разработку методик численного моделирования температурных режимов многослойных конструкций с возможностью учета климатических особенностей Волгоградской области.

В третьей главе диссертационной работы изложены теоретические основы расчета нестационарной теплопроводности многослойных конструкций зданий для разработки алгоритма и методики расчета программного продукта с учетом возможности задания краевых условий по натурным измерениям климатических воздействий.

Одномерная задача нестационарной теплопроводности описывается дифференциальным уравнением Фурье:

дТ Э гТ

где а - коэффициент температуропроводности среды, м2/ч.

При этом задаются начальные условия:

Т.=К,Т„=гяи,г = 0, (2)

где ta" - температура внутреннего воздуха в теплый период года, °С, принимаемая согласно ГОСТ 30494-96; г/ - температура наружного воздуха в июле месяце, °С.

Граничные условия на внутренней поверхности:

Тв=а.{Т,-Т„у,х = 0, (3)

где ав - коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности, Вт/(м2-°С); Т„„ -температура внутренней поверхности, °С.

Условия сопряжения на стыках слоев:

К =fn+i> Чп =Чп+1> (4)

где tnn+h (¡nn+i - соответственно температура и плотность теплового потока соседних слоев.

Граничные условия на наружной поверхности:

Ти=аи(Тт-Т„),х = п, (5)

где а„ - коэффициент теплоотдачи наружной поверхности, Вт/(м2-°С); Т„„ - температура наружной поверхности, °С.

Для решения нестационарной теплопроводности использовался метод конечных разностей.

Исследуемой физической моделью является составная конструкция из п слоев. Разделяем конструкцию на слои одинаковой толщины Ах. Плоскости, разделяющие слои обозначаем номерами п-1, п, п+1, где п - слой, для которого производится расчет, а п-1 и п+1 - слои, соседние с рассматриваемым слоем. Интервал по времени принимаем равным Ах. Для плоскостей разделяющих слой п-1, п, п+1 используем соответствующие температуры Тгл./, Ттп, Тг-п+1, где г - означает определенный момент времени. Задача решается в явном виде, при этом температура в любой плоскости через интервал времени Ат определяется по температурам в этой же плоскости и в двух соседних плоскостях в предыдущий момент времени т.

В конечно-разностном представлении дифференциального уравнения (1)

формула для расчета нестационарной теплопроводности примет вид:

Т*+1,п ~~ Тт п Тт +1 — 2Тт + Тг [

---= а-—-, (6)

Л т Ах2

где Тг+ / „ - температура плоскости в момент времени т+Ат.

При решении уравнения (6) в явном виде необходимо соблюдать следующее ограничение. При расчете однослойной конструкции шаг времени необхо- .

А*2 п

димо принимать меньше, чем максимальный Агшах --. В случае же расчета

1а

многослойных конструкций шаг расчета по времени будет общий для всех слоев и, следовательно, должен приниматься наименьшим, так как для каждого слоя величины Ах и а будут отличаться.

Задачей расчета является определение температуры во всех расчетных точках исследуемой конструкции во все последующие моменты времени с учетом воздействия солнечной радиации.

1. Расчетная точка, расположенная на внутренней поверхности:

• Кп +Кп+1

"Я 'г,в ^ Г7 ' г.л+1

т —_____________ ^

| г,л + лт,п+1 в 2&х

где 1тп и Ь.п+1 - коэффициенты теплопроводности материала в расчетной точке и ближайшей точке внутри материала; ав - коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности, задается постоянным в пределах поставленной задачи; и -температура внутреннего воздуха у поверхности ограждения. 2. Расчетная точка, расположенная на стыке между различными слоями:

Тт+1,п = Тт,п + а

-Тт,п _ К л + _ Тт.п ~ Тг,п+1 . + Л-.П+1 ^

Ах 2 Ах 2

. (8)

где щ - коэффициент перехода к температуропроводности, определяемый по формуле (9) в зависимости от характеристик материалов расположенных по обе стороны от расчетной точки:

2-Лт

а, ---— (9)

сп-1' Гп-х' ¿4,-1 + сп+1 ■ уп+, • Лг„+|' где с - теплоемкость материала в расчетных точках; у - плотность материала в расчетных точках.

3. Расчетная точка, расположенная внутри однородного слоя:

Тт+и =тт<п + 7^..,-2-7^), (10)

где а2 - коэффициент перехода к температуропроводности, определяемый по формуле (11):

К,п~\ +А-.Я+1 1 ,, а2=-----—. (И)

2 сп ■ Гп

4. Расчетная точка, расположенная на наружной поверхности:

^г+1 ,п з Т~з » (12)

Дх

где ан - коэффициент теплоотдачи наружной поверхности, задается постоянным в пределах поставленной задачи.

На наружной поверхности ограждающей конструкции общий тепловой поток с учетом конвективного потока и потока от солнечной радиации равен:

<? = ('„(13) где Т1П - температура наружной поверхности в расчетный момент т; ан" - коэффициент теплоотдачи наружной поверхности; г„ - температура наружного воздуха, определяемая по формуле:

<

На основе экспериментальных данных была получена эмпирическая формула для возможности учета изменения интенсивности солнечной радиации в заданный момент времени суток от измеренной максимальной интенсивности:

(г.-г )2

= ц 1- ' т )■ <15>

т

где ттах - момент времени, соответствующий максимальной величине солнечной радиации при самом высоком положении солнца на заданной широте.

Математическая модель нестационарной теплопроводности с учетом сол-

нечной радиации многослойной конструкции была реализована в программном продукте расчета температурных режимов «Teplosol 1.0» (рис. 2). Программа написана в системе визуального, объектно-ориентированного программирования Borland Delphi 7 для Windows ХР/7/Vista и позволяет производить расчеты на перегрев ограждающих конструкций в теплый период года с учетом солнечной радиации.

Ввод геометрических размеров t • • . конструкции и j геллофиэических пдрямегрос материалов

Преобразование слоев конструкции в цифровую сетку

Ввод температуры f наружного воздуха! за весь период i расчета с любы«« f шагом по времени i

географического

Начало расчета

Ввод параметров. | гветовргодмя . t

т

Задается начальное время расчета

Определение момента 01 расчета:

... 2,<=ZK0M

Конец расчета' j

Вывод температурного.поля в любой момент времени

[ Выводдлиамнки изменения 'температуры внутренней поаерхности ; азессьпориодрасчетэ

. период расчета температуры наружного ■■ чопдутс^.теплоеотр потока 'через-внутреннюю и наружную ловеряностъ

Рис. 2 Алгоритм программного п()одук"та «Teplosol 1.0»

Для проведения расчета в программу загружаются основные тештофизи-ческие параметры материалов слоев конструкции, а также климатические параметры и широта, соответствующая расположению объекта рассчитываемой конструкции. При этом особенностью программного продукта является возможность введения краевых условий по измеренным натурным данным наружного, внутреннего воздуха и интенсивности солнечной радиации с перерасчетом по установленной зависимости в заданный момент времени суток. В результате расчета по программе «Тер1о5о1 1.0» получают распределение температуры наружного воздуха с учетом солнечной радиации, температурного поля всей конструкции в заданный момент времени, а также плотности теплового потока и теплопоступлений, проходящих через ограждение в течение заданного периода времени.

На рис. 3 представлено сравнение результатов натурных исследований температурного режима невентилируемой крыши с данными полученными по расчету программы «Теркгао! 1.0».

н

о

Время, час

Рис. 3 График сравнения расчетных н измеренных в натурных условиях результатов исследования температурного режима невентилируемой крыши серии 2Р-02-1

1 - расчетная температура наружной поверхности, °С; 2 - измеренная температура наружной поверхности, °С; 3 - расчетная температура внутренней поверхности, °С; 4 - измеренная температура внутренней поверхности, °С.

Относительная погрешность результатов численного сравнения расчетных и измеренных в натурных условиях величин составляет: температура наружной поверхности - 2,8%, температура внутренней поверхности - 3,3%.

Относительная погрешность результатов не превышает 10%, а форма и экстремумы графиков имеют удовлетворительную сходимость. Надежность алгоритма расчета теплового режима ограждающих конструкций по программе «Teplosol 1.0» составляет 0,92...0,95.

В четвертой главе диссертационной работы выполнено численное моделирование температурных режимов конструкций невентилируемых крыш с целью определения оптимального конструктивного решения по повышению теплозащитных свойств ограждения для обеспечения требуемых параметров микроклимата помещении зданий.

В настоящее время практически не разработаны эффективные технологии повышения теплозащитных свойств невентилируемых совмещенных крыш.

Выбор оптимального конструктивного решения основывался на условиях обеспечения допустимой температуры внутренней поверхности ограждения, минимально допустимого приведенного сопротивления теплопередаче, снижения теплопоступлений в теплый период года и снижения расходов на тепловую энергию за отопительный период.

По программе расчета температурных режимов многослойных конструкций «Teplosol 1.0» на примере климатических особенностей Волгоградской области были рассмотрены варианты устройства дополнительных теплоизоляционных слоев из минераловатных плит толщиной от 30 до 200 мм и различным коэффициентом поглощения солнечной радиации поверхностного слоя. Для

снижения радиационного нагрева и температуры наружной поверхности в качестве поверхностного слоя в одном из вариантов использовалось разработанное автором работы светоотражающее теплоизоляционное покрытие (патент № 118654 РФ) с низким коэффициентом поглощения солнечной радиации.

Рис.4 Изменение теплопоступлений Ох через ограждение и расхода тепловой энергии при повышении сопротивления теплопередаче невентили-руемой крыши Яц.

1 - вариант устройства дополнительного теплоизоляционного слоя из минераловатных плит со светоотражающим покрытием (патент №118654 РФ);

2 - вариант устройства дополнительного теплоизоляционного слоя из минераловатных плит без дополнительного покрытия.

Сопротивление теплопередаче Дк.(м2°С)/Вт

По результатам моделирования было выявлено, что существенное снижение температуры внутренней поверхности крыши до + 26 ... + 27 °С, снижение теплопоступлений и сокращения расходов тепловой энергии происходит за счет устройства дополнительного теплоизоляционного слоя с толщиной в диапазоне от 60 до 100 мм. Дальнейшее увеличение толщины теплоизоляционного слоя незначительно влияет на снижение температуры внутренней поверхности ограждения, порядка 0,1 - 0,2 °С, и снижение теплопоступлений и является экономически нецелесообразным. С учетом минимально допустимого сопротивления теплопередаче, исходя из климатических условий Волгоградской области, был определен оптимальный вариант устройства дополнительного теплоизоляционного слоя из минераловатных плит толщиной 80 мм с верхним светоотражающим теплоизоляционным покрытием (патент № 118654 РФ).

Для прогнозирования температурного режима в помещениях верхних этажей зданий с предлагаемой конструкцией невентилируемой крышей с повышенной теплозащитой было проведено моделирование по программе «Тср1о8о1 1.0».

Прогнозируемый температурный режим в помещении с данной конструкцией крыши обеспечивает требуемые параметры: среднесуточная температура в

помещении составляет + 25,1 °С, при этом не превышаются значения допустимой (+ 28 °С) и оптимальной (+ 25 °С) температуры по ГОСТ 30494-96 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях». Проведенный расчет на теплоустойчивость данной конструкции также подтверждает эффективность применения, приведенная амплитуда колебаний внутренней поверхности Ат"р равная 1,84 °С не превышает требуемую Атвтр = 2,2 °С.

В пятой главе диссертации представлен разработанный инженерный метод расчета ограждающих конструкций на перегрев в теплый период года, обеспечивающий требуемые параметры микроклимата в помещениях.

В настоящее время при проектировании тепловой защиты зданий согласно СНиП проводят проверку ограждающих конструкций на теплоустойчивость в теплый период года, определяя при этом амплитуду колебаний внутренней поверхности и тепловую инерцию ограждения. Однако действующие стандарты и санитарно-гигиенические нормы регламентируют температуру внутреннего воздуха в помещении и температуру внутренней поверхности. При этом по результатам натурных исследований отмечается значительное превышение температуры внутренних поверхностей ограждающих конструкций даже с тепловой инерцией больше нормируемой по СНиП фтрм = 5). В результате чего температура воздуха в помещении превышает допустимую по санитарно-гигиеническим и комфортным условиям на 5 - 8 "С.

Для возможности проверки обеспечения температурного режима ограждающих конструкций по ГОСТ и СанПиН по температуре внутренней поверхности ограждения был разработан и предложен инженерный метод расчета многослойных ограждающих конструкций на перегрев в теплый период года с учетом влияния солнечной радиации.

Сущность метода заключается в определении допустимой температуры внутренней поверхности ограждающей конструкции, исходя из санитарно-гигиенических и комфортных условий внутреннего воздуха, и сравнении её с расчетной температурой внутренней поверхности.

Допустимая температура внутренней поверхности конструкции определяется по формуле:

2,5-0,1-(С-21)]. (16)

Расчетная температура наружного воздуха определяется по формуле:

ссч = 1ЯН + 0,5Д„ + р(/тах ~/т1п) . (17)

<

Расчетная температура внутренней поверхности совмещенной крыши в теплый период года определяется по формуле:

, расч лч

г; -Ыш (18)

Кр ■ ав

Ограждающая конструкция не будет перегреваться, а в помещениях верхнего этажа будет обеспечиваться требуемый тепловой режим при выполнении условия:

г;<гГ- (19)

Для оценки достоверности получаемых результатов расчета по предлагаемому инженерному методу были проведены расчеты исследуемых конструкций совмещенных крыш и произведено сравнение с натурными измерениями.

Измеренное значение температуры внутренней поверхности Хд1М существующей конструкции крыши составляло 32 - 33 °С, расчетное значение г/ по инженерному методу - 32,5 °С, что значительно превышает допустимую температуру внутренней поверхности твдо" = 29,6 °С.

При устройстве дополнительного теплоизоляционного слоя и светоотражающего покрытия расчетное значение т/ по инженерному методу составило 28,7 °С, что не превышает допустимое значение г/°" = 29,6 °С.

Предлагаемый метод расчета хорошо согласуется с натурными исследованиями и рекомендуется для использования при проверке теплового режима ограждающих конструкций в теплый период года совместно с методикой СНиП.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертационная работа посвящена разработке мероприятий по обеспечению требуемого теплового режима в помещениях жилых и общественных зданий путем повышения теплозащитных свойств невентилируемых крыш в теплый период года и разработке инженерного метода расчета ограждающих конструкций на перегрев, обеспечивающего требуемые параметры микроклимата помещений верхних этажей зданий.

Получены следующие основные результаты, определяющие новизну работы и её практическую значимость.

1. Проведены натурные исследования теплового режима в помещении здания школы типовой серии 2Р-02-1 с невентилируемой совмещенной крышей в теплый период года, по результатам которых выявлены перегрев существующей конструкции и недопустимое превышение температуры внутреннего воздуха по санитарно-гигиеническим и комфортным условиям.

2. Разработан уточненный алгоритм расчета нестационарных температурных полей многослойных ограждений с возможностью учета изменения интенсивности солнечной радиации в течение суток на основании установленной зависимости и температуры наружного воздуха по натурным измерениям.

3. Разработан программный продукт «Тер1о8о1 1.0», позволяющий определять температурный режим в помещениях и ограждающих конструкциях с учетом влияния изменения интенсивности солнечной радиации в течение суток.

4. В результате сравнения расчетов по программе «Тер1о$о1 1.0» и измеренных в натурных условиях величин температуры наружной и внутренней поверхности невентилируемой крыши существующего здания относительная погрешность не превысила 10%. Надежность алгоритма расчета теплового режима помещений и ограждающих конструкций по программе «Тер1о5о11.0» составляет 0,92... 0,95.

5. По результатам моделирования по программе «Тер1оБо1 1.0» определен оптимальный вариант повышения теплозащитных свойств невентилируемой крыши для обеспечения требуемого теплового режима в помещении, заключающийся в устройстве дополнительного теплоизоляционного слоя с верхним светоотражающим защитным покрытием. Приведенная амплитуда колебаний внутренней поверхности составила 1,84 °С, сопротивление теплопередаче Кк = 3,14 (м2-°С)/Вт. Прогнозируемая среднесуточная температура внутреннего воздуха в помещении с данной конструкцией крыши составляет +25,1 °С.

6. Устройство дополнительного теплоизоляционного слоя и светоотражающего покрытия позволило снизить теплопоступления через невентилируе-мую крышу на 60% и сократить расход тепловой энергии на отопление на 15 %.

7. Разработан инженерный метод расчета на перегрев многослойных конструкций в теплый период года, позволяющий определять температуру внутренней поверхности ограждения и контролировать температуру внутреннего воздуха в помещении на стадии проектирования.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

^ - коэффициент теплопроводности, Вт/(м-°С); - термическое сопротивление теплопередаче материала, (м2-°С)/Вт; qi -плотность теплового потока, Вт/м2; р -коэффициент поглощения солнечной радиации материалом; - максимальное значение суммарной солнечной радиации, Вт/м2; 1ср - среднее значение суммарной солнечной радиации, Вт/м2.

Индексы:«- номер слоев; п - число слоев.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Пу&шшцш в ведуи№рецтщ№ткшучно-тех11тескихз1<ур1шт1хи изданиях

1. Жуков А. Н., Перехоженцев А. Г. К оценке температурного режима совмещенного покрытия общественного здания в летний период года // Вестник ВолгГАСУ. Сер.: Стр-во и архитектура. Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2012. Вып. 29 (48). С. 93-98.

2. Жуков А. Н., Перехоженцев А. Г. Исследование возможности применения жидких керамических теплоизоляций для повышения сопротивления теп-

лопередаче совмещенных кровельных покрытий // Вестник ВолгГАСУ. Сер.: Стр-во и архитектура. Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2012. Вып. 27 (46). С. 5-8.

Патенты

3. Пат. 118654 Рос. Федерация Е04В 1/76 Теплоизоляционное покрытие / А. Н. Жуков [и др.]. № 2012106531/03 ; заявл. 22.02.12 ; опубл. 27.07.2012, Бюл. №21.

Свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ

4. Компьютерная программа для расчета теплового режима ограждающих конструкций в теплый период года с учетом влияния солнечной радиации Те-р1оБо1 1.0: свидетельство о гос. регистрации программ для ЭВМ / А. Н. Жуков [и др.]. № 2013610364 ; № 2012660091 ; заявл. 21.11.2012 ; зарег. в Реестре программ для ЭВМ 09.01.2013 г.

Отраслевые издания и материалы конференций

5. Жуков А. Н. Влияние климатических особенностей Волгоградской области на температурный режим совмещенных покрытий зданий // Технические науки - от теории к практике : материалы XII междунар. заоч. науч.-практ. конф. Новосибирск: [Изд-во «Сибир. ассоц. консультантов»], 2012. С. 67-70.

6. Жуков А. Н., Перехоженцев А. Г. Инженерный метод расчета конструкций совмещенных покрытий зданий на перегрев в теплый период года // Наука и образование: архитектура, градостроительство и строительство: материалы Междунар. конф., посвящ. 60 - летию образования вуза, 18-19 сентября 2012 г., Волгоград : в 2 ч. Волгоград: Изд-во ВолгГАСУ, 2012. Ч. I. С. 116-120.

7. Жуков А. Н., Перехоженцев А. Г. Повышение тепловой устойчивости невентилируемой совмещенной крыши эксплуатируемого здания // Качество внутреннего воздуха и окружающей среды : материалы XI Междунар. науч. конф., 23 марта - 5 апреля 2013 г., г. Ханой. Волгоград : Изд-во ВолгГАСУ, 2013. С. 291-295.

8. Жуков А. Н. Температурный режим помещения в здании с невентилируемой крышей в теплый период года. // Технические науки - от теории к практике : материалы XIX междунар. заоч. науч.-практ. конф. Новосибирск: [Изд-во «Сибир. ассоц. консультантов»], 2013. С. 76-80.

9. Жуков А. Н. Моделирование теплового режима невентилируемой крыши в теплый период года. // Технические науки - от теории к практике : материалы XIX междунар. заоч. науч.-практ. конф. Новосибирск: [Изд-во «Сибир. ассоц. консультантов»], 2013. С. 81-86.

10. Жуков А. Н. Разработка программного продукта для расчета теплового режима многослойных конструкций. // Инновации в науке : материалы XVIII междунар. заоч. науч.-практ. конф. Новосибирск: [Изд-во «Сибир. ассоц. консультантов»], 2013. С. 54—58.

ЖУКОВ АРТЕМ НИКОЛАЕВИЧ

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТРЕБУЕМОГО ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ЗДАНИЙ С НЕВЕНТИЛИРУЕМЫМИ КРЫШАМИ В ТЕПЛЫЙ ПЕРИОД ГОДА (НА ПРИМЕРЕ ВОЛГОГРАДСКОЙ ОБЛАСТИ)

05.23.03 Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 25.04.2013 г. Заказ № 52 Тираж 100 экз. Печ. л. 1,0

Формат 60x84 1/16 Бумага писчая. Печать плоская. Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет 400074, Волгоград, ул. Академическая, 1. Отдел оперативной полиграфии.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

04201359581

ЖУКОВ АРТЕМ НИКОЛАЕВИЧ

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТРЕБУЕМОГО ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ЗДАНИЙ С НЕВЕНТИЛИРУЕМЫМИ КРЫШАМИ В ТЕПЛЫЙ ПЕРИОД ГОДА (НА ПРИМЕРЕ ВОЛГОГРАДСКОЙ ОБЛАСТИ)

Специальность: 05.23.03 Теплоснабжение, вентиляция,

кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Перехоженцев Анатолий Георгиевич

Волгоград - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

5

ВВЕДЕНИЕ 7

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИЗУЧАЕМОГО ВОПРОСА..... 14

1.1 Анализ существующих методов расчета ограждающих конструкций совмещенных крыш на теплоустойчивость и перегрев в теплый период года.......................................... 14

1.2 Влияние температурного режима невентилируемых совмещенных крыш на микроклимат верхних этажей жилых и общественных зданий..................................................... 30

1.3 Влияние особенностей климата южных регионов России на температурный режим невентилируемых совмещенных крыш (на примере Волгоградской области).................................. 35

1.4 Основные сведения о конструктивных решениях невентилируемых совмещенных крыш жилых и общественных зданий и их теплозащитные особенности........................... 39

1.5 Выводы по первой главе................................................ 49

2. НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА В ПОМЕЩЕНИЯХ ЗДАНИЯ С КОНСТРУКЦИЕЙ НЕВЕНТИ-ЛИРУЕМОЙ СОВМЕЩЕННОЙ КРЫШИ........................... 50

2.1 Методика проведения натурных инструментальных исследований теплового режима помещений с конструкцией невентилируемой совмещенной крыши эксплуатируемого общественного здания.................................................... 50

2.2 Обработка результатов натурного исследования теплового режима конструкции невентилируемой совмещенной крыши ... 57

2.3 Исследование теплового режима в помещениях верхнего этажа здания с конструкцией невентилируемой совмещенной крыши .. 62

2.4 Выводы по второй главе................................................. 65

3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА КОНСТРУКЦИИ СОВМЕЩЕННОЙ КРЫШИ ЗДАНИЯ........... 66

3.1 Одномерная задача нестационарной теплопроводности многослойной ограждающей конструкции с учетом солнечной радиации....................................................................... 66

3.2 Алгоритм и блок-схема программного продукта «Тер1озо1 1.0» для расчета одномерных задач нестационарной теплопроводности многослойных конструкций с учетом солнечной радиации....................................................... 73

3.3 Проверка алгоритма решения нестационарной теплопроводности многослойных конструкций и сравнение результатов с натурными исследованиями........................... 84

3.4 Выводы по третьей главе................................................. 91

4. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ НЕВЕНТИ-ЛИРУЕМЫХ СОВМЕЩЕННЫХ КРЫШ ЖИЛЫХ И ОБЩЕСТВЕННЫХ ЗДАНИЙ.......................................... 92

4.1 Численное моделирование конструктивных вариантов повышения теплозащитных свойств невентилируемых совмещенных крыш...................................................... 92

4.2 Определение оптимального варианта конструктивного решения повышения теплозащиты невентилируемой совмещенной крыши......................................................................... 104

4.3 Выводы по четвертой главе............................................. 116

5. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ПОЛУЧЕННЫХ

РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ................................. 117

5.1 Разработка инженерного метода расчета ограждающих конструкций на перегрев в теплый период года, обеспечивающего требуемые параметры микроклимата в помещении................................................................... 117

5.2 Практические расчеты конструкций невентилируемых совмещенных крыш......................................................... 123

5.3 Выводы по пятой главе.................................................. 125

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ................................................................................................................126

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК........................................................................128

ПРИЛОЖЕНИЯ............................................................................................................................146

ДОКУМЕНТАЦИЯ 152

Условные обозначения

А - площадь поверхности испытуемого образца, м2

Я, - термическое сопротивление теплопередаче материала, (м °С)/Вт

X,- коэффициент теплопроводности материала, Вт/м- °С

- коэффициент теплоусвоения материала, Вт/(м • °С) ан - коэффициент теплоотдачи,

А{экв - амплитуда эквивалентной температуры солнечного облучения, °С

р - коэффициент поглощения солнечной радиации материалом

1, - интенсивность суммарного солнечного облучения

ув - затухание амплитуды колебаний температуры

Ув - коэффициент теплоусвоения внутренней поверхности, Вт/(м • °С)

- плотность теплового потока, Вт/м

цконв - плотность потока конвективного тепла, Вт/м

сУсолн ~ плотность потока от солнечной радиации, Вт/м

т, - температура поверхности, °С

Т1. температура окружающего воздуха, °С

(р - относительная влажность окружающего воздуха, %

V - скорость ветра, м/с

с11 - толщина образца, м

F - площадь образца, м2

двп- плотность потока водяного пара через образец, мг/(ч-м )

Р, - парциальное давление насыщенных паров воды, Па

8в - толщина воздушного слоя, м

/л1 - коэффициент паропроницаемости, мг/(м ч-Па)

Р-пар- сопротивление паропроницанию, (м ч Па)/мг

к - число факторов

р - число уровней

N - число экспериментов

$2 . среднеквадратическое отклонение

^тавл ~ критерий Стьюдента

а - доверительная вероятность

$2 _ дисперсия воспроизводимости

$2 . дисперсия адекватности

Ррасч ~ критерий Фишера

О - критерий Кохрена

- критерий регрессии

а - среднеквадратическое отклонение

Дх - общая погрешность

8 - относительная погрешность

д - частная производная

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы.

Обеспечение требуемого теплового режима в помещениях жилых и общественных зданий необходимо для здоровья человека и создания оптимальных условий жизнедеятельности. При оценке теплового комфорта температура внутреннего воздуха в помещении зависит непосредственно от температуры внутренних поверхностей ограждающих конструкций здания.

Однако такие климатические факторы, как высокая температура наружного воздуха, жаркое продолжительное лето и значительная интенсивность солнечной радиации, присущие южным регионам России, приводят к перегреву ограждающих конструкций зданий.

Наиболее подвержены перегреву в теплый период года невентилируемые совмещенные крыши жилых и общественных зданий, в том числе детских дошкольных и общеобразовательных учреждений. В Волгоградской области около 60% зданий от общего фонда имеют данную конструкцию крыши. При этом перегрев внутренней поверхности совмещенной крыши значительно влияет на микроклимат в помещениях, в результате чего для поддержания комфортных условий вынуждены использовать системы кондиционирования воздуха и вентиляции.

Существенным недостатком метода расчета по СНиП ограждающих конструкций на теплоустойчивость является расхождение расчетных параметров с натурными данными. В реальных условиях эксплуатации зданий наблюдается перегрев внутренней поверхности ограждающей конструкции, который ведет к повышению температуры внутреннего воздуха в помещении выше допустимой по санитарно-гигиеническим требованиям.

Натурные исследования, проведенные автором диссертационной работы и другими учеными, показывают, что показатель тепловой инерции и амплитуда суточных колебаний температуры внутренней поверхности наружных ограждений не являются определяющими параметрами,

обеспечивающими требуемую температуру внутренних поверхностей ограждающих конструкций и, соответственно, комфортную температуру воздуха в помещении.

Кроме того, ГОСТ 30494-96 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях», СанПиН 2.1.2.2645-10 «Санитарно-эпидемиологические требования к условиям проживания в жилых зданиях и помещениях» и СанПиН 2.2.4.548-96 «Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений» регламентируют не амплитуду колебаний внутренних поверхностей ограждений, а устанавливают гигиенические требования к температуре внутреннего воздуха в помещении, внутренних поверхностей ограждающих конструкций и результирующей температуре.

При проектировании зданий, в которых должны обеспечиваться требуемые параметры микроклимата, необходимо более точно учитывать влияние климатических воздействий, в частности, изменение интенсивности солнечной радиации в течение суток, на температурный режим различных конструктивных решений наружных ограждений. Для прогнозирования температурных режимов наружных ограждающих конструкций целесообразно использование современных надежных методов компьютерного программирования.

Исследования, направленные на обеспечение требуемых температурных параметров в существующих зданиях в теплый период года за счет повышения теплозащитных свойств ограждающих конструкций и разработку надежных методик численного компьютерного моделирования тепловых процессов в ограждении являются весьма актуальными на сегодняшний день.

Цель работы - разработка мероприятий по обеспечению требуемого теплового режима в помещениях существующих жилых и общественных зданий с невентилируемыми совмещенными крышами в теплый период года путем снижения радиационного нагрева наружной поверхности и повышения

тепловой защиты данных конструкций и разработка методов расчета ограждающих конструкций на перегрев с учетом влияния солнечной радиации, обеспечивающих требуемые параметры внутреннего воздуха в помещении для вновь проектируемых зданий.

Для достижения поставленной цели в работе были решены следующие задачи:

проведен анализ существующих методов оценки тепловой устойчивости помещений и многослойных ограждающих конструкций;

- выполнены натурные исследования теплового режима помещений и конструкции невентилируемой совмещенной крыши эксплуатируемого здания в теплый период года и произведена оценка соответствия параметров микроклимата действующим санитарно-гигиеническим требованиям и стандартам;

- исследована интенсивность солнечной радиации в суточном цикле;

внесены уточнения в алгоритм расчета нестационарной теплопроводности многослойных конструкций на основе метода конечных разностей в части задания краевых условий;

- разработана компьютерная программа расчета нестационарной теплопроводности ограждающих конструкций с учетом влияния изменения солнечной радиации в зависимости от времени суток;

- проведено численное моделирование температурных режимов различных конструктивных решений невентилируемых совмещенных крыш с дополнительным теплоизоляционным слоем, в климатических условиях Волгоградской области, с целью определения оптимального варианта повышения теплозащитных свойств ограждающих конструкций;

проведен расчет теплопоступлений через конструкцию невентилируемой крыши в теплый период года и расхода тепловой энергии в течение отопительного периода;

- разработан инженерный метод расчета ограждающих конструкций на перегрев в теплый период года с учетом влияния солнечной радиации, обеспечивающий требуемые параметры теплового режима в помещениях.

Методы исследования включали: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, экспериментальные и натурные исследования, физико-математическое моделирование изучаемых процессов, математическую обработку экспериментальных данных.

Научная новизна работы:

- усовершенствован алгоритм расчета нестационарных температурных полей многослойных ограждений в части учета влияния климатических воздействий на горизонтальную ограждающую конструкцию от изменения интенсивности солнечной радиации в течение суток и температуры наружного воздуха;

- установлена зависимость интенсивности солнечной радиации в заданный момент времени суток от измеренной максимальной интенсивности;

- разработан программный продукт расчета температурного режима ограждающих конструкций «Тер1озо1 1.0», позволяющий прогнозировать тепловой режим в помещениях и ограждающих конструкциях в теплый период года при проектировании и реконструкции зданий (свидетельство о гос. регистрации программ для ЭВМ № 2013610364; № 2012660091; заявл. 21.11.2012; зарег. в Реестре программ для ЭВМ 09.01.2013 г.);

- на основе численного моделирования определен оптимальный вариант повышения теплозащитных свойств невентилируемой совмещенной крыши исходя из условий обеспечения требуемой температуры внутренней поверхности ограждения, минимально допустимого сопротивления теплопередаче и снижения теплопоступлений через ограждающую конструкцию в помещение;

- разработано светоотражающее теплоизоляционное покрытие (патент «Теплоизоляционное покрытие» № 118654 Рос. Федерация Е04В 1/76.

№2012106531/03; заявл. 22.02.12; опубл. 27.07.2012, Бюл. №21), позволяющее снизить теплопоступления через невентилируемую крышу на 30% в теплый период года и снизить радиационный нагрев наружной поверхности ограждения на 15 - 20 °С.

Практическое значение работы заключается в разработке инженерного метода расчета ограждающих конструкций на перегрев с учетом влияния интенсивности солнечной радиации в теплый период года и обеспечения допустимой температуры внутренней поверхности ограждения по санитарно-гигиеническим нормам и стандартам.

Разработанный метод расчета позволяет обеспечить требуемые параметры температурного режима в помещениях верхних этажей для вновь проектируемых жилых и общественных зданий, с целью сокращения расходов на системы вентиляции и кондиционирования воздуха в теплый период года.

Разработанный инженерный метод обладает новизной и рекомендуется использоваться при проверке ограждающих конструкций на теплоустойчивость в теплый период года совместно со стандартной методикой СНиП.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована применением классических положений теоретического анализа, моделированием изучаемых процессов, планированием необходимого объема экспериментов, подтверждена удовлетворяющей требуемым критериям сходимостью и оценкой надежности полученных результатов экспериментальных исследований, выполненных в натурных условиях.

Соответствие паспорту специальности 05.23.03 «Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение» диссертационной работы в части разработки научно-технических решений создания микроклимата в помещениях зданий, обеспечивающих требуемый температурный режим в помещениях, соответствующий санитарно-гигиеническим требованиям.

Внедрение результатов исследований.

- методика расчета теплового режима многослойных конструкций зданий на перегрев в теплый период внедрены при проектировании жилого многоквартирного дома в ООО «Универсалпроект»;

- рекомендации по повышению теплозащиты невентилируемых совмещенных крыш использованы при строительстве общественного здания в ООО ПКФ «КРОНТЕХ»;

- материалы диссертационной работы использованы в учебном процессе кафедры «Архитектура» ВолгГАСУ при проведении практических и лабораторных занятий по курсу «Теплозащита ограждающих конструкций» для специальностей 270102 «Промышленное и гражданское строительство», 270301 «Архитектура».

На защиту выносятся:

- результаты натурных исследований, характеризующие температурный режим в помещениях здания школы с конструкцией невентилируемой совмещенной крыши типовой серии 2Р-02-1 в теплый период года;

- методика учета краевых условий изменения интенсивности солнечной радиации в течение суток и температуры наружного воздуха по натурным измерениям;

- алгоритм и программный продукт «Тер1озо1 1.0», позволяющий проводить расчет температурных полей многослойных конструкций в течение заданного периода времени, определять температурный режим в помещениях в теплый период года с учетом влияния солнечной радиации в течение суток;

- результаты численного моделирования по программе «Тер1озо1 1.0» температурных режимов конструктивных решений невентилируемых крыш с дополнительными теплоизоляционными слоями для повышения теплозащитных свойств ограждающих конструкций с целью обеспечения требуемой температуры внутренней поверхности;

- инженерный метод расчета ограждающих конструкций на перегрев в теплый период года, обеспечивающий требуемые параметры микроклимата в помещениях.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета (Волгоград, 2010, 2011, 2012 г.г.), на XI Международной конференции «Качество внутреннего воздуха и окружающей среды» (Ханой, 2013 г.), на XII, XIX Международных конференциях «Технические науки - от теори