автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Особенности влияния снеговых отложений на эксплуатационный режим светопрозрачных кровель отапливаемых зданий

005056938

На правах рукописи

Л-*

Константинов Александр Петрович

ОСОБЕННОСТИ ВЛИЯНИЯ СНЕГОВЫХ ОТЛОЖЕНИЙ НА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЙ РЕЖИМ СВЕТОПРОЗРАЧНЫХ КРОВЕЛЬ ОТАПЛИВАЕМЫХ ЗДАНИЙ

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 3 ДЕК 2012

Москва 2012

005056938

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

Научный руководитель: кандидат технических наук, старший научный сотрудник

Плотников Александр Александрович

Официальные оппоненты: Ибрагимов Александр Майорович

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный архитектурно-строительный университет», профессор, заведующий кафедрой «Стандартизация, качество, сертификация и техническая диагностика в строительстве»

Кунин Юрий Саулович

кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет», профессор, заведующий кафедрой «Испытание сооружений»

Ведущая организация: Государственное унитарное предприятие г. Москвы

Управление по проектированию общественных зданий и сооружений «Моспроект-2» им. М.В. Посохина

Защита состоится «26» декабря 2012 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.138.04 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» по адресу: 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, ауд. 9, «Открытая сеть».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет».

Автореферат разослан ноября 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Каган Павел Борисович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время в России, большинство территорий которой характеризуется долгой и продолжительной зимой, эксплуатируется достаточно большое количество зданий со свегопрозрачными кровлями. Основное функциональное назначение подобных конструкций - обеспечение естественного освещения подкровельного пространства. Однако результаты наблюдений за уже возведенными свегопрозрачными кровлями показывают, что в зимнее время они выполняют эту функцию лишь частично. Причиной этому является снежный покров, скапливающийся на поверхностях кровельного остекления и продолжающий лежать там очень длительное время. Очевидно, что для нормального функционирования свегопрозрачных кровель необходимо, чтобы снежный покров удалялся с их поверхности. Однако существующие методы борьбы со снеговыми отложениями на кровлях (механическая отчистка, использование обогреваемых стеклопакетов) являются не всегда оправданными и целесообразными. Выход из сложившейся ситуации может быть найден в результате комплексного исследования влияния снегового покрова на различные технические и функциональные характеристики свегопрозрачных кровель.

Цель работы - изучение влияния снежного покрова на зимний эксплуатационный режим большепролетных свегопрозрачных покрытий отапливаемых атриумных зданий, и разработка рекомендаций по проектирование и эксплуатации свегопрозрачных кровель исходя из условия круглогодичного обеспечения естественного освещения подкровельного пространства.

При выполнении работы необходимо было решить следующие задачи:

• Провести натурные наблюдения на здании атриумного типа для изучения характера накопления и продолжительности нахождения снежного покрова на различных участках кровельного остекления;

• Провести натурные эксперименты процессов накопления и стаивания снежного покрова на поверхности кровельного остекления; рассмотреть изменение теплозащитных свойств стеклопакета в зависимости от угла его наклона к горизонту; определить светопропускающую способность снежного покрова.

• Разработать физико-математическую модель процесса накопления и оттаивания снежного покрова с поверхности остекления, разработать методику численных расчетов нестационарного теплообмена с учетом теплоты фазовых переходов снега в воду и изменения толщины снежного покрова

• Сравнить результаты теоретических и экспериментальных исследований эксплуатационных характеристик свегопрозрачных кровель с учетом снегового покрова;

• Разработать рекомендации по проектированию свегопрозрачных кровель покрытой снежным покровом, исходя из условия максимального обеспечения ими естественного освещения.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• В результате натурных наблюдений исследован режим формирования снежного покрова на светопрозрачных кровлях отапливаемых зданий; определено влияние угла наклона остекления на процессы накопления и стаивания снежного покрова с поверхностей светопрозрачных кровель;

• Определена светопропропускающая способность снежного покрова в зависимости от его толщины;

• Предложена физико-математическая модель процесса накопления и оттаивания снежного покрова с поверхности остекления,

• Разработана методика численных расчетов нестационарного теплообмена с учетом теплоты фазовых переходов снега в воду и изменения толщины снежного покрова, с помощью которой возможно определять продолжительность нахождения снежного покрова на различных участках светопрозрачных кровель, его толщину и светопрозрачность;

Практическая значимость работы заключается в разработке рекомендаций по проектированию и эксплуатации светопрозрачных кровель исходя из условия обеспечения ими круглогодичного естественного освещения подкровельного пространства.

Достоверность результатов работы подтверждается сравнением результатов численных и аналитических теоретических исследований с результатами натурных наблюдений и экспериментов; использованием при экспериментальных исследованиях современных методов измерения и компьютерной техники.

Автор выносит на защиту:

• Результаты натурных наблюдений за формированием снежного покрова на поверхности кровельного остекления с различным углом наклона в различных интервала температур:

на свегопрозрачной кровле эксплуатируемого атриумного здания (административное здание МИД РФ на Новом Арбате);

- на полигоне со специально спроектированными и изготовленными моделями

• Физическую и математическую модель стаивания снежного покрова с поверхности кровельного остекления отапливаемых зданий;

• Методику численных расчетов по определению толщины и продолжительности стаивания снежного покрова с различных участков кровельного остекления отапливаемых зданий;

• Рекомендации по проектированию светопрозрачных кровель отапливаемых зданий, исходя из зимних условий эксплуатации.

Результаты исследований внедрены:

• При реконструкции административного здания МИД РФ (г. Москва, Смоленская-Сенная площадь, д.32/34).

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на:

- Тринадцатой международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство - формирование среды жизнедеятельности», Москва (2010 г.);

- Международной научной конференции «Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании» (2011 г.).

Струю-ура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов по диссертации, библиографического списка использованной литературы из 75 наименований. Работа имеет общий объём в 160 страниц машинописного текста, содержит 6 таблиц, 52 рисунка.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновываются актуальность и направленность работы, определяются цель и задачи исследований.

Первая глава посвящена описанию общей характеристики свегопрозрачных кровель и проблем, возникающих при их эксплуатации в зимних условиях.

В настоящее время в России возведено и эксплуатируется достаточно большое количество зданий со свегопрозрачными кровлями. В зависимости от функционального назначения свегопрозрачных кровель эти здания можно разделить на две группы:

1. Торговые ряды и галереи, выставочные павильоны и развлекательные центры. В зданиях такого типа свегопрозрачные кровли используются преимущественно для того, чтобы организовать под ними зрительно привлекательное пространство, где, как правило, находится большое количество людей.

2. Административные и офисные здания атриумного типа. Основное функциональное назначение свегопрозрачных кровель в таких зданиях заключается в обеспечении естественной освещённости рабочих помещений, ориентированных окнами во двор атриума. При надлежащем проектировании свегопрозрачных кровель и рациональной организации внутренних пространств зданий такого типа, верхнее естественное освещение через кровлю позволяет свести к минимуму использование дневного искусственного освещения. Это достоинство свегопрозрачных кровель особенно актуально в современных условиях, характеризующихся экономией энергетических ресурсов и возрастающими требованиями к энергоэффективности зданий.

Натурные наблюдения за свегопрозрачными кровлями отапливаемых зданий, эксплуатируемых в российских условиях, показывают, что на большинстве из них в зимнее время происходит накопление снежного покрова или ледяной корки, которое приводит к частичной или полной потере их светопрозрачности. И если для зданий первого типа (торговые и развлекательные центры) этот факт не является критичным, то для атриумных зданий, где верхнее естественное освещение через кровлю учитывается в светотехнических расчетах, это является крайне нежелательным.

В настоящее время физические процессы, приводящие к таким явлениям, изучены недостаточно, имеется лишь ограниченное количество публикаций.

Основное отличие свегопрозрачных кровель от непрозрачных заключается в функции обеспечения естественной освещенности внутреннего пространства здания, которая должна обеспечиваться круглогодично, в том числе и в зимний период. Это, в

свою очередь, предполагает либо полное отсутствие снега и льда на кровле, либо ограничение периода заснеженности и обледенения кровли до минимума.

В настоящее время основными операциями, используемыми для периодического обслуживания свегопрозрачных кровель во время эксплуатации, являются электрообогрев и механическое удаление снега и наледи. Каждый из этих методов имеет определенные недостатки. Для системы электрообогрева остекления необходимы значительные электрические мощности. Кроме того, при определенных условиях использование электрообогрева может привести к резкому скачку температуры на стекле и его разрушению в результате термошока. Как показывает практический опыт, в условиях обильного снегопада электрообогрев неэффективен. В этих случаях, как правило, применяется механическая очистка кровли от снега, что влечет за собой высокую вероятность разрушения стеклопакетов.

Если при проектировании свегопрозрачных кровель учитывать возможность мобильного изменения теплового режима подкровельного пространства, то можно исключить указанные негативные факторы и создать мягкий эксплуатационный режим.

Перечисленные особенности на сегодняшний день не отражены в существующих нормативных документах по проектированию кровель (как отечественных, так и зарубежных).

Несмотря на то, что снежный покров оказывает значительное влияние на состояние свегопрозрачной кровли в зимний период, включая тепловой режим и светопропускание, особенности его формирования на сегодняшний день остаются малоизученными.

Это утверждение в значительной степени относится и к традиционным непрозрачным кровлям. Были проведены лишь некоторые исследования, посвященные процессам накопления и стаивания снежного покрова, происходящим на поверхности утепленных кровель отапливаемых зданий. Основные направления этих работ были связаны с влиянием снежного покрова на термическое сопротивление кровли и с вопросом назначения снеговых нагрузок на кровли отапливаемых зданий. Данные работы выполнены Дедовским И.В. Павловым В.А., Кузнецовым Б.Н., Пиховкиным В .А.

Однако использовать модели накопления и таяния снега, описанные в этих работах, для свегопрозрачных кровель можно лишь для получения оценочных показателей в первом приближении. Это связано с тем, что в перечисленных работах использована физическая модель, подразумевающая стационарный ход процесса таяния снега. Для свегопрозрачных кровель это является не совсем корректным, т.к. в сравнении с непрозрачными кровлями их термическое сопротивление меньше в 5-10 раз. Тепловой поток, проходящий через свегопрозрачную кровлю, будет при равных условиях существенно больше (рис.1). Благодаря этому процесс таяния снега, скапливающегося на поверхности свегопрозрачной кровли, является более интенсивным.

Характер таяния и естественного удаления снега различен для глухих и свегопрозрачных кровель. Снег, скапливаясь на непрозрачном кровельном покрытии, не имеет возможности скатываться с поверхности за счёт высокой адгезии (шершавая рулонная кровля), либо неровностей и уступов (черепица, профилированные листы). При таянии, снег с таких кровель, также не сползает.

¿Г У

О $нут « < (Ивнут

А Б

Рис. 1. Факторы, влияющие на процессы накопления и стаивания снега, снеговые нагрузки на утепленные кровли (А) и светопрозрачные кровли (Б)

Условные обозначения: <2'тут" ~ тепловой поток через светопрозрачную кровлю: (¿„мГ — тепловой поток через глухую кровлю: 2СИШ- приход тепла за счет прямой и рассеянной солнечной радиации.

В случае со свегопрозрачными кровлями этот процесс происходит иначе. Основная доля наружной поверхности светопрозрачных кровель представляет собой гладкое и ровное флоат-стекло, поверхность которого становится очень скользкой при намокании, поэтому образующаяся при таянии снега вода будет способствовать сползанию снежного покрова с наружной поверхности светопрозрачной кровли. При подтавивании снег не будет находиться на светопрозрачной кровле длительное время, а будет периодически с неё скатываться, даже при отсутствии ветра.

Процессы передачи тепла через непрозрачные и светопрозрачные кровли также являются различными. Теплообмен через утепленные кровли будет происходить только за счет теплопроводности. Теплообмен в светопрозрачных кровлях, выполненных с использованием стеклопакетов, является более сложным и осуществляется не только за счет теплопроводности, но также за счет излучения и конвекции (рис. 2).

Рис. 2. Схема передачи тепла через однокамерный стеклопакет

1 - радиация: 2 - конвекция; 3 - теплопроводность: 4 -низкоэмиссионное покрытие: X — коэффициент теплопроводности; ц - динамическая вязкость; е -излучательно-поглощательная способность.

Таким образом, очевидно, что проблема влияния снежного покрова на работу светопрозрачных кровель требует более детального изучения.

В связи с этим в рамках диссертационной работы был проведен комплекс экспериментальных и теоретических исследований по следующим вопросам:

1. Характер распределения снежного покрова на светопрозрачных кровлях. Влияние утла наклона остекления на процессы накопления и стаивания снега;

2. Тепловой режим светопрозрачных кровель. Определение предельного количества снежного покрова, способного скопиться на кровле. Определение продолжительности нахождения снежного покрова на различных участках остекления. Влияние угла наклона остекления на величину его термического сопротивления.

3. Влияние снежного покрова на светопропускание кровли.

412 Ч л

0 1 2» Ч I /—-ц Ш, Г 1

Оо{ 14 л ■ 1 я ^

Тн /1 К/"1 -..: 3 — Й Ю |\ТЬ

Вторая глава посвящена экспериментальным исследованиям работы светопрозрачных кровель в зимних условиях. Первая часть этих исследований включает в себя натурные наблюдения светопрозрачного купола административного здания МИД РФ на Новом Арбате (январь - март 2009 г., декабрь 2009 г. - март 2010 г.).

Натурные наблюдения показали, что характер распределения снежного покрова на поверхности светопрозрачного купола изменяется со временем после снегопада и существенно отличается от аналогичных утепленных куполов.

На поверхности стеклянных куполов необходимо различать несколько зон, на которых снег остается лежать после снегопада (рис. 3 и 4).

Рис. 3. Распределение снеговой нагрузки и локальное льдообразование на светопрозрачном куполе административного здания МИД РФ

Распределение снежного покрова по поверхности абсолютно гладкого «стекчянного» купола после снегопада

В зоне 1 - на пологих участках купола - снег, скопившийся после снегопада, остается лежать длительное время, вплоть до следующего снегопада. Причем уменьшение толщины снежного покрова в этой зоне происходит только до определенной величины. Эта величина будет зависеть от температурного режима кровли.

В зоне 2 - на крутых участках купола - снег не будет лежать длительное время. Он будет скатываться в результате подтаивания. Накопление снега в этой зоне будет иметь циклический характер.

В зоне 3 - нижней части купола - будет происходить скапливание снега, скатывающегося с более высоких участков. Однако этого можно избежать путем рационального конструирования опорной части купола.

В ходе наблюдений было установлено, что на поверхности свегопрозрачного купола будет скапливаться существенно меньшее количество снега, чем на аналогичных утепленных куполах. На пологих участках купола (в зоне 1) даже при самых неблагоприятных условиях толщина снежного покрова не превышала 10 см. В нижней части купола (зоне 3) при этом скапливалось не более 20 см снега.

Продолжительность нахождения снежного покрова на различных участках купола была различной. В зоне 1 снег оставался лежать до следующего снегопада, либо пока полностью не стаивал. В зоне 2 снег оставался лежать меньшее время, пока не скатывался в результате подтаивания (не более 3 суток). В нижней части купола снег оставался лежать, пока полностью не стаивал.

Для более детального изучения процесса накопления снега на свегопрозрачной кровле в ходе снегопада и определения причин, вызывающих таяние снега, скапливающегося на поверхности кровельного остекления, были произведены также и натурные эксперименты на моделях.

Для проведения эксперимента в натурных условиях был возведен испытательный стенд, представляющий собой утепленную замкнутую камеру с регулируемой температурой внутри и кровлей из стеклопакетов с различным углом наклона (от 0° до 60°) и сопротивлением теплопередаче 11=0,36 м20С/Вт. Натурные эксперименты проводились в период с ноября 2010 г. по март 2011 г.

В ходе наблюдений производились измерения температур, количества скапливающегося снежного покрова, измерение, уровня естественной освещенности, фотофиксация характера накопления и стаивания снежного покрова с различных участков остекления.

Испытательный стенд был смонтирован непосредственно на поверхности земли на застроенной территории, что предполагало минимальный эффект от сдувания снега ветром. На стенде были установлены однокамерные стеклопакеты с прозрачными флоат-стеклами.

В ходе экспериментов было установлено, что

1. Основное влияние на процессы накопления и стаивания снега с поверхности свегопрозрачной кровли оказывает тепловой режим кровли. Он зависит от термического сопротивления остекления и температуры воздуха в подкровельном пространстве.

2. Накопление и стаивание снега по-разному происходят на свегопрозрачных кровлях с различным уклоном по отношению к горизонту. При углах наклона кровельного остекления менее 30° на кровле будет гарантировано скапливаться снег, где он будет лежать длительное время. На участках остекления с углом наклона более 45° процесс накопления снега носит циклический характер(рис. 5). Продолжительность нахождения снега на таких участках минимальна.

3. Продолжительность нахождения снежного покрова на поверхности остекления зависит от температуры наружного воздуха. От нее зависят также характеристики снега.

При низких температурах воздуха выпадает легкий, перистый снег. При более высоких температурах выпадет плотный, зернистый снег.

Темпера-

Температура наружного стекла (60°)

Температура наружного стекла (15°)

2 часа 4 часа 6 часов Время снегопада, ч

Рис. 5 Процесс накопления снежного покрова в ходе интенсивного снегопада на участках остекления с разным наклоном

Результаты натурных экспериментов на испытательном стенде представлены в таблице 1.

Результаты натурных экспериментов по исследованию угла наклона остекления на процессы накопления и стаивания снежного покрова

__. Таблица 1

Угол наклона остекления, град Характер накопления снега Предельное количество снега (вверху) и продолжительность его нахождения на остеклении в часах (внизу) при температуре наружного воздуха

-3 С и выше -5 °С -10 °С и ниже

0 Постоянный 1,5 см 2 см 4 см

х/с > 3 ч > 60 ч

15 Постоянный 1,5 2 см 4 см

х/с > 3 ч > 60 ч

30 Постоянный 1,5 см 2 см 4 см

х/с > 3 ч >60 ч

45 Циклический 1,0 см 1,5 см 1,5 см

х/с 2,5 ч С

60 Циклическии 0,5 см 1 см 1 см

х/с 2 ч С

Условные обозначения: х/с - таяние происходит в ходе снегопада; н/т - таяние снега не происходит; С — снег сдувался ветром

На этом же стенде были проведены экспериментальные исследования светопропускающей способности снежного покрова.

На основании экспериментов установлено, что даже небольшое количество снежного покрова (0,5 см) снижает светопропускание кровли на 40%. При увеличении толщины снежного покрова с 0,5 см до 5 см происходит резкое снижение его светопропускания - с 60 % до 40%. При более толстом снежном покрове светопропускание снега уже не ухудшается (остается на уровне 40 %) (см. рис. 6). Это говорит о диффузном механизме пропускания снегом солнечного света.

Для оценки светопропускания кровли, покрытой снежным покровом, в инженерных расчетах можно использовать следующую экспоненциальную зависимость:

. пх

Тс=А-е (1)

где хс - светопропускающая способность снега; х - толщина снега,см; А, п -коэффициенты

Влияние угла наклона на теплозащитные характеристики стеклопакета было дополнительно исследовано в лабораторных условиях. Для этого был сооружен специальный стенд (см. рис. 7). Конструкция исследованного стеклопакета была принята аналогично стенду для натурных испытаний.

г Светопропускание, %

100 90 ВО 70 60 50 АО

5 10 15 Толщина,сп

Рис. 6. График светопропускания снежного покрова в зависимости от его толщины

Рис. 7. Внешний вид испытательного стенда для определения термического сопротивления стеклопакетов

В ходе экспериментов производились измерения температур наружной и внутренней поверхности стеклопакета в центральной зоне при различных углах наклона. Затем, на основании полученных данных, вычислялось термическое сопротивление воздушной прослойки стеклопакета.

Эксперименты показали, что термическое сопротивление воздушной прослойки стеклопакета уменьшается по мере уменьшения угла его наклона к горизонту. Экспериментальные значения термического сопротивления воздушной прослойки однокамерного стеклопакета (конструктивная формула 4М1-16^-М1) приведены в таблице 2.Полученные данные необходимо учитывать при определении теплового режима кровельного остекления, покрытого снегом.

Зависимость термического сопротивления воздушной прослойки однокамерного стеклопакста от угла его наклона

__Таблица 2

Угол наклона а, град Яфакт, (м20С)/Вт % Угол наклона а, град Яфакт, (м20С)/Вт Кц/К-'ю- %

0 0,141 88 60 0,155 96

15 0,142 89 75 0,160 100

30 0,145 90 90 0,160 100

45 0,150 93

Третья глава посвящена теоретическому исследованию процесса таяния снежного покрова, скапливающегося на поверхности кровельного остекления.

Для рассмотрения этих процессов была разработана физическая модель таяния снега. При этом был приняты следующие допущения:

1. Свегопрозрачная кровля с лежащим на ней снежным покровом рассматривается как многослойная конструкции, состоящая из нескольких слоев: 1 слой - наружный воздух, 2 слой - снежный покров, 3 слой - стеклопакет, 4 слой - воздух подкровельного пространства.

2. Процесс передачи тепла через систему определяется только теплопроводностью.

3. Многослойная конструкция является замкнутой системой, поэтому влагообмен с окружающей средой не учитывается.

4. Все физические процессы происходят при отсутствии ветра, т.е. эффект сдувания снега не учитывается.

Ол

Тн

Снег-

:Стеклопакет,/

/?„ Таким образом, согласно принятой

физической модели таяние снега будет осуществляться только за счет теплового потока, вызванного разностью температур наружного и внутреннего воздуха, теплоты фазовых переходов /?ся снега и изменения толщины снежного покрова за счет оттаивания его нижних слоев, прилегающих к стеклопакету (рис. 8).

~ йен

Те

Рис.8. Графическая иллюстрация физической модели таяния снега

Этот процесс можно описать уравнением кондуктивной теплопроводности с внутренними теплоисточниками. Записанное в энтальпийной форме, оно будет иметь следующий вид:

ВЕ

— = ¡¡п{Хм $га(1Т )+ ОТ

;Э£ = СЭФ(Г)ЭГ,

(2)

где Е - удельная энтальпия; Сэф - эффективная тетоемкость, учитывающая теплоемкость материала и теплоту фазовых переходов материала; X — коэффициент теплопроводности материала; Т-температура; внутренний источник теплоты

На основании физической модели были разработаны численные методы расчета, при помощи которых были решены задачи по определению:

• максимального количества снега, способного скопиться на поверхности кровельного остекления и не подтаивать (задача 1);

• продолжительности нахождения снежного покрова на наклонных участках остекления (задача № 2);

• продолжительности таяния снежного покрова, скапливающихся на горизонтальных участках кровельного остекления (задача № 3)

• условий, при которых снег, скапливающийся на кровельном остеклении, будет таять еще в ходе снегопада (задача №4).

Решение задачи 1 заключается в определении такой толщины снежного покрова, при которой система «снег+стеклопакет» будет находится в стационарном состоянии. При этом имеет место равенство тепловых потоков в снеге и кровле.Исходя из того, что таяние снега происходит лишь при температуре Т0=О °С максимальную толщину снежного покрова, способную лежать на поверхности свегопрозрачной кровли и не подтаивать, можно определить по следующей формуле:

где Ас — коэффициент тетопроводности снега; Roc — термическое сопротивление остекления; Тц - температура наружного воздуха; Тв - температура внутреннего воздуха

Для решения этих задач 2-4 при помощи численных методов использовалась математическая модель, предполагающая динамический характер процесса таяния снега. Задачи решались методом конечных разностей с аппроксимацией уравнения (2) по явной схеме:

где г - пространственные координаты; к — шаг по времени; /г — размер шага по пространству; Ах—размер ишга по времени

При рассмотрении этих процессов был использован программный комплекс для решения теплофизических задач «ТЕМРА», позволяющий рассматривать систему «стеклопакет + снег» в нестационарных условиях теплопередачи.

Расчеты в данной программе происходят по методике, основанной на решении уравнения теплопроводности в энтальпийном виде. При рассмотрении системы «снег+стеклопакет» стеклопакет был задан термическим сопротивлением Ысп, а снег -коэффициентом теплопроводности, объемным весом с учетом возможности полного перехода снега в воду и поглощением при этом теплоты фазовых переходов. При этом, в ходе расчетов толщина снега изменялась по мере его подтаивания.

Решение каждой из задач производилось при различных комбинациях исходных данных (температур, типов остекления и снега).

Решение задачи № 2 позволило определить продолжительность нахождения снежного покрова на наклонных участках остекления (табл. 3).

h' =ÀcRoc-(T0-TH)/(Te-T0)

(3)

-к i-1

(4)

Продолжительность нахождения снежного покрова на наклонных участках остекления в зависимости от температуры наружного воздуха и типа остекления, ч

_Таблица 3

Термическое сопротивление остекления Снежный покров Температура наружного воздуха, иС

Плотность, кг/м3 Толщина, см -5 -10 -15 -20

4-16-4 R=0,372 м20С ч/ккал 150 5 4,5 18 н/т н/т

10 6,5 14 н/т н/т

15 9 16,5 н/т 48

20 11,5 19 н/т 42

350 5 25 н/т н/т н/т

10 31 н/т н/т н/т

15 38 н/т н/т н/т

20 44 н/т н/т н/т

4-Аг16-И4 R=0,768 м С ч/ккал 4-16-4 150 5 6.25 н/т н/т н/т

10 8.75 20 144 н/т

15 11,5 21 40 н/т

20 14 24 38 64

350 5 112 н/т н/т н/т

10 56 н/т н/т н/т

15 56 н/т н/т н/т

20 60 н/т н/т н/т

Условные обозначения: н/т - снег не тает

Численные эксперименты показали, что снег будет стаивать с поверхности остекления только при относительно высоких зимних температурах наружного воздуха (-5 °С и выше). Продолжительность полного таяния снега будет зависеть от термического сопротивления остекления, а также толщины и свойств выпавшего снега. При более низких температурах снег будет таять только в случае использования остекления с термическим сопротивлением ниже 0,37 м20С ч/ккал.

Решение задачи № 3 позволило определить продолжительность таяния снежного покрова на горизонтальных участках кровельного остекления (а также на тех участках, где снег не имеет возможности скатываться).

Численные эксперименты показали, что на продолжительность нахождения снежного покрова на поверхности остекления зависит от множества факторов. Среди них можно выделить:

1. Снег. Большое влияние на процесс таяния снега оказывают свойства снега. Два типа снега, теплофизические характеристики которых закладывались в расчеты, имеют совершенно разный характер таяния. Расчеты показали, что при одинаковых условиях (Г„=-5 °С, Rcr,=0,37 (м20С ч)/ккал) таяние тяжелого снега (плотностью 350 кг/м3) в первые часы после снегопада будет происходить в 5-7 раз медленнее, чем в случае таяния легкого снега (плотностью 150 кг/м3). При дальнейшем таянии интенсивность различалась еще более значительно.

2. Остекление. Эксперименты показали, что при использовании «теплого» остекления снег всегда будет лежать продолжительное время на свегопрозрачной

кровле. При использовании «холодного» остекления это явление будет наблюдаться только в условиях низких температур наружного воздуха (ниже -15 °С). В остальных же случаях он будет стаивать. При этом, величина снежного покрова, которое останется лежать на поверхности «холодного» остекления во всех случаях будет меньше, чем на аналогичном «теплом» остеклении.

3. Температура наружного воздуха. Эксперименты показали, что если снегопад и таяние снега будет происходить при высоких температурах наружного воздуха (выше -5 °С), то снег в любом случае будет стаивать с остекления. Продолжительность нахождения снежного покрова на поверхности остекления от момента окончания снегопада до момента его полного стаивания составит от 2 до 5 суток (в случае использования «холодных» стеклопакетов). При использовании «теплых» стеклопакетов это время несколько увеличится (5-7 суток).

Снег, находящийся на свегопрозрачной кровле при температуре наружного воздуха - 10 °С, не будет полностью с нее стаивать. При таких условиях на остеклении будет продолжать лежать не менее 5 см снега.

При температурах наружного воздуха -15 °С и ниже скорость таяния снега очень мала. Значительное количество снега будет лежать на поверхности остекления до тех пор, пока температура не повысится. На поверхности остекления при этих условиях будет лежать не менее 8см снега.

Решение задачи № 4 позволило определить условия, при которых таяние снежного покрова будет происходить еще в ходе снегопада. Численные эксперименты показали, что стаивание снежного покрова с поверхности остекления еще в ходе снегопадов будет происходить крайне редко. Такое явление будет происходить только при температурах наружного воздуха выше -3 °С и использовании «холодных» стеклопакетов =0,372м С ч/ккал). Для таяния снега при более низких температурах (-5 С и ниже) необходимо предусматривать дополнительные мероприятия.

Продолжительность нахождения снежного покрова на поверхности остекления при различной интенсивности снегопада

______Таблица 4

Плотность снега, кг/м3 Тн, °С Тв, °С Время стаивания снега (мин) при заданной интенсивности снегопадов, см/ 12 часов

1 2 3 4 5 6 8 16

150 -1 20 10 20 30 50 X X X X

-3 20 20 60 X X X X X X

-5 20 X X X X X X X X

350 -1 20 20 X X X X X X X

-3 20 X X X X X X X X

-5 20 X X X X X X X X

150 -5 60 - - - - - - 50 X

-10 60 - - - 50 X X X X

-15 60 X X X X X X X X

Обозначение: X - таяние снега происходит дольше 1 часа; - расчеты не производились

В 4 главе проведен сравнительный анализ результатов натурных наблюдений и экспериментов с результатами теоретических исследований, а так же даны рекомендации по проектированию свегопрозрачных кровель исходя из зимних условий эксплуатации.

Анализ экспериментальных и теоретических исследований показал, что результаты численных экспериментов являются сопоставимыми и практически совпадающими с результатами натурных наблюдений и экспериментов. Поэтому использование вышеизложенных моделей накопления и стаивания снежного покрова с поверхности кровельного остекления можно считать оправданным.

На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований можно дать следующие рекомендации по проектированию свегопрозрачных кровель исходя из обеспечения с их помощью круглогодичного естественного освещения подкровельного пространства.

При проектировании свегопрозрачных кровель необходимо учитывать:

1. Климатические условия района строительства

Помимо основных климатических параметров, необходимых для проектирования, для свегопрозрачных кровель дополнительно необходимо учитывать:

• Среднесуточное количество снежных осадков, выпадающих в зимние месяцы и

среднюю температуру воздуха по месяцам;

• Максимальное количество снежных осадков, выпавших за сутки за все время

наблюдений и температуру наружного воздуха в эти сутки.

• Максимальную продолжительность непрерывного выпадения снега.

Анализ данных параметров необходим для определения характера снеговых отложений и величины снеговых нагрузок на свегопрозрачную кровлю. Используя физическую модель и методику расчетов, изложенную ранее, возможно определять так же время, в течение которого кровля будет покрыта снежным покровом.

2. Конструктивное решение стеклопакетов

Подбор характеристик остекления необходимо производить на основе анализа функционального назначения свегопрозрачной кровли и условий ее эксплуатации.

Конструкция стеклопакетов может подбираться исходя из следующих условий:

1. Комфортность микроклимата в подкровельном пространстве;

2. Недопущение избыточных теплопотерь через кровлю;

3.Светопрозрачность кровли в зимний период эксплуатации.

В зависимости от этого можно выделить несколько характерных вариантов конструкции стеклопакетов (см. таблицу 5).

А. Стеклопакеты с высоким показателем термического сопротивления - одно- и двухкамерные стеклопакеты с низкоэмиссионными стеклами и заполнением инертными газами. Их использование позволит существенно сократить теплопотери через свегопрозрачную кровлю. В тоже время в зимний период даже в регионах с низкой интенсивностью снежных осадков на таких кровлях будет скапливаться снежный покров. Это будет приводить частичной или полной потере их светопрозрачности на длительное время. В этом случае на отдельных участках кровли возможно образование локальных зон с большим скоплением снега и льда, способных повлиять на эксплуатационную безопасность кровли в целом.

Подобная конструкции стеклопакетов может применяться в зданиях, где свегопрозрачная кровля является лишь дополнительным средством обеспечения

16

освещения помещений, а потеря функции светопропускания не является критичным — в торговых центрах, выставочных галереях.

Б. Стеклопакеты с небольшим показателем термического сопротивления. Использование остекления с заниженными показателями термического сопротивления позволит свегопрозрачной кровли оставаться чистой практически весь период зимней эксплуатации. В этом случае на поверхности кровли будет скапливаться небольшое количество снежного покрова, которое будет лежать там лишь ограниченное время.

Подобное решение следует использовать в тех случаях, когда свегопрозрачная кровля является основным источником естественного освещения подкровельного пространства - в административных и офисных зданиях атриумного типа.

3. Геометрическая форма кровли

Кровли с малым углом наклона (меньше 15°) желательно возводить только в регионах с малым количеством и интенсивностью снежных осадков. В остальных же регионах на их поверхности снежный покров будет лежать очень длительное время. При проектировании малоуклонныхсветопрозрачных кровель в указанных регионах, дополнительно к традиционной системе электрообогрева, рекомендуется применение системы регулируемого кратковременного обогрева подкровельного пространства для обеспечения стаивания снега в условиях интенсивного снегопада.

4. Особенности конструкции кровли

При проектировании свегопрозрачных кровель необходимо использовать профильные системы, которые имеют минимальный выступ относительно плоскости остекления. Наиболее оптимальным вариантом с этой точки зрения является использование профильных систем для структурного остекления. В случае, если использование структурного остекления по каким-либо причинам невозможна, необходимо использовать системы с прижимными планками минимально возможной толщины.

При проектировании свегопрозрачных кровель особое внимание необходимо уделить проработке характерных зон скопления снега. Например, в купольных покрытиях, эта будет нижняя часть купола (см. рис. 4), где будет наблюдаться наибольшее количество снежного покрова. Для уменьшения скопления снега в этой зоне необходимо обеспечить беспрепятственное скатывание снега с участков кровли, расположенных выше.

Рекомендуемые характеристики кровельного остекления (из условия обеспечения светопрозрачности в зимний период)

_Таблица 5

Климатические условия района строительства Конструкция остекления Термическое сопротивление остекления, м20С/Вт Рекомендуемый угол наклона остекления

Большая интенсивность снежных осадков Низкая температура воздуха (-10 °С) п I \ 0,37 Не менее 15°

Большая интенсивность снежных осадков Высокая температура воздуха (-5 °С и выше) \ 1 0,67 Не менее 15°

Малая интенсивность снежных осадков Низкая температура воздуха (ниже -15°С) т п 0,91 Не менее 10°

Основные выводы и результаты работы

Проведенный в ходе написания диссертационной работы комплекс теоретических и экспериментальных исследований, а так же сопоставление полученных результатов позволило решить поставленные задачи и сделать следующие выводы:

1. Предложена физическая модель теплообмена в системе «стеклопакет и слой снега», учитывающая изменение температурного режима во времени за счет оттаивания нижних слоев снежного покрова, прилегающих к стеклопакету. Эта модель позволяет определить минимальный слой снега, при котором температура на поверхности стекла становится отрицательной и оттаивание снега прекращается. Максимальная толщина снега определяется метрологическими наблюдениями - периодом непрерывного снегопада и интенсивностью оттаивания нижних слоев. На наклонных участках максимальная толщина снега определяется временем начала оттаивания снега на поверхности стекла и образованием скользкого водяного слоя, за счет которого снег сползает с наклонной части крыши. Вся поверхность стеклянной крыши разделена на три зоны, где толщина снега и время его присутствия различны и зависят от наклона кровли.

2. Разработана физико-математическая модель нестационарного теплобмена системы «стеклопакет+снег» с учетом теплоты фазовых переходов снега в воду и изменения толщины снежного покрова за счет оттаивания его нижних слоев, прилегающих к стеклопакету. Данная модель позволяет определять максимальную и минимальную толщину снегового покрова, а также продолжительность нахождения снежного покрова на поверхности светопрозрачной кровли в зависимости от конкретных исходных данных:

- термического сопротивления стеклопакета;

- температуры воздуха внутри помещения под кровлей;

- климатических характеристик интенсивности снегопада;

- хода температуры наружного воздуха в течение расчетного периода

времени.

3. Разработанная физико-математическая модель подтверждена результатами натурных наблюдений и лабораторных экспериментов.

4. В результате натурных экспериментов получена зависимость светопропускающей способности снежного покрова от его толщины, что

позволяет определять светотехнические характеристики светопрозрачных кровель.

5. Разработаны рекомендации по проектированию светопрозрачных кровель, позволяющие определить:

- характер распределения снега на купольных светопрозрачных покрытиях;

- максимальную и минимальную толщину снегового покрова;

- характер и время снижения светопропускания кровли, покрытой снежным покровом.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ В изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Процесс накопления снега на эксплуатируемых стеклянных куполах. - Журнал «Жилищное строительство», 11/2010 - М.: «Стройматериалы», 2010. - стр. 38-40

2. Снежный покров на стеклянных купольных покрытиях отапливаемых зданий (на примере г. Москва). - "Вестник МГСУ", 1/2011 т.1 - М.: МГСУ, 2011. - стр. 120-126

3. Снег на светопрозрачных кровлях отапливаемых зданий. - "Вестник МГСУ", 4/2012-М.: МГСУ, 2012. - стр. 51-55.

Статьи, опубликованные в других научных журналах и изданиях:

1. Снеговые нагрузки на свегопрозрачные кровли. В сборнике докладов тринадцатой международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов. - М: МГСУ АСВ, 2010. - стр. 121-124

2. Влияние снеговых отложений на естественное освещение отапливаемых зданий со свегопрозрачными кровлями. В сборнике докладов международной научной конференции «Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании». - М: МГСУ АСВ, 2011. стр. 212-215

3. Особенности эксплуатации стеклянных кровель атриумных зданий. В сборнике докладов II всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи «Устойчивость, безопасность и энергоресурсосбережение в современных архитектурных, конструктивных, технологических решениях и инженерных системах зданий и сооружений» У.М.Н.И.К. 2011. - М: МГСУ АСВ, 2011. - стр. 109-113

4. Здания и сооружения со свегопрозрачными фасадами и кровлями. Под общей редакцией И.В. Борискиной, Санкт-Петербург, «Любавич», 2012. - 396 стр. (написаны разделы 2.1 и 4.5)

Подписано в печать 24.11.2012г.

У сл.пл. - 1.0 Заказ №11530 Тираж: 100экз.

Копицентр «ЧЕРТЕЖ.ру» ИНН 7701723201 107023, Москва, ул.Б.Семеновская 11, стр.12 (495) 542-7389 www.chertez.ru