автореферат диссертации по строительству, 05.23.03, диссертация на тему:Усовершенствование методики расчета нестационарного тепловлажностного состояния ограждающих конструкций строений

ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ

На правах рукопису

Чайка Юрій Іванович

УДОСКОНАЛЕННЯ МЕТОДИКИ РОЗРАХУНКУ НЕСТАЦІОНАРНОГО ТЕПЛОВОЛОПСНОГО СТАНУ ОГОРОДЖУЮЧИХ КОНСТРУКЦІЙ БУДІВЕЛЬ

05.23.03 - "Вентиляція, освітлення та тегаюгазопостатання"

Автореферат дисертації на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук

м. Харків - 1997

Дкеертацкю е рукопис.

Робота виконана у Харківському державному технічному університеті будЬгеадва та архітектури.

Наукові керівники: доктор тегкічння наук, професор

Вздько Олександр Федорович; кандидат технічних наук, старший каукозий співробітник Черних Людшша Федорівна.

Офіційні СПОНСІГГН

1. Доктор технічних наук, процесор Строй А.Ф.

2. Кандидат технічних наук, доцент Хргіюа ВА.

Прогудііа установа: Харківська державна азадагзг. «гськото госюбфсгаї.

Захист відбудеться 18. 09. 1997 р. об 11» на засіданні сгггціанізозйної вчедаї ради Д 02.07.01 у Харківському державному теянічяоиу уніЕфопггі бугзБШщва та архітектури, за адресою: и. Х&ргсіз, сул. Сумська, 40

З дасергацкзо можна ознайомитися у бібліотеці Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури

Автореферат розіслано “ » сергаа 1997 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради» к.тлп доцент

з

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Високі вартість теплової енергії зумовлює впроваджувати до практики будівництва енергозберігаючі технології. Одним з напрямків цігї галузі с підвищення опору теплопередачі зовнішніх огороджуючих конструкцій будівель за рахунок застосування нових матеріалів, проте процеси тепломасообміну у таких конструкціях вивчені недостатньо. Існуючі методики оцінки нестаціонарного тепло-вологісного стану огороджуючих конструкцій не враховують фазові перетворення вологи та фільтрацію повітря під час вибору конструктивного рішення, тому вдосконалення методики вирішення завдань тегаю-волоііс-ного стану зовнішніх огороджуючих конструкцій будівель, що базуєпся на математичному моделюванні процесів тепломасообміну с актуальним.

Мета дисертаційної роботи - полягає в удосконаленні методики розрахунку нестаціонарного тешіовологісного стану стінових огороджуючі» конструкцій цивільних будівель, основаному на математичному моделюванні процесів тепломасообміну.

Завдання дослідження включають:

- уточнення фізико-математичного опису процесів дифузії водяної пари в огороджуючих конструкціях цивільних будівель;

- створення математичної моделі, програмного забезпечення, експериментального підтвердження правильності розробленої методики;

- вдосконалення методики тепловологісного розрахунку огороджуючих конструкцій з урахуванням фазових перетворень вологи та фільтрації повітря.

Наукова новизна. Полягає у наступному:

- вдосконалено методику розрахунку нестаціонарного тепловохо-гісного стану огороджуючих конструкцій будівель з урахуванням нелі-нійності теплофізичних характеристик будівельних матеріалів, засновану на розв'язанні дифереиційних рівнянь тепло-масопереносу, що враховує фазові перетворення вологи, фільтрацію повітря;

- удосконалено положення методу елементарних балансів, що дозволять описуваги вплив фільтрації повітря на тегшовологісний стан неоднорідних зон огороджуючих конструкцій.

Практична цінність. Удосконалена методика розраіунку тепловоло-іісного стану огороджуючих конструкцій будівель дозволяє виконувати оцінку теплотехнічної ефективності, давати обґрунтування рівня тепло- та вологозахисту деяких перспективних рішень, що впроваджуються до виробництва. Отримані апроксимаційні залежності коефіцієнтів вологопере-дачі, рівнянь сорбції водяної пари будівельними матеріалами можуть бути використані для оцінки вологісного стану огороджуючих конструкцій. Запропонована методика розрахунку зміни вологішюго стану матеріалу, під дією повітря, що фільтрується, дозволяє визначати найбільш ефективні режимні параметри сушіння огороджуючих конструкцій.

Апробація пгані. Основні результати роботи доповідалися та обговорювалися на Міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми та перспективи ресурсозбереження у житлово-комунальному господарстві" (ХДАКГ, Харків 1995 р), 49-ій науково-технічній конференції ХДТУБА “Підвищення ефективності будівництва” (Харків 1994 р), 50-ій науково-технічній конференції ХДТУБА "Підвищення ефективності будівництва” (Харків 1995 р), 51-ій науково-технічній конференції ХДТУБА “Будувати - думати про майбутнє” (Харків 19% р).

На захист виносяться:

- математична модель розрахунку нестаціонарного тепловоло-іісного стану огороджуючих конструкцій будівель, що враховує фазові перетворення вологи, фільтрацію повітря;

- інженерний метод розрахунку нестаціонарного гепловологісного стану огороджуючих конструкцій будівель, заснований на розв'язанні диференційних рівнянь тепло-масопереносу, що враховує фазові перетворення вологи, фільтрацію повітря.

Результати дисертаційної роботи використані для теплотехнічних

розрахунків експериментальних стінових панелей відділом будівельної теплофізики КиївЗНДІЕП, під час корегування типових проектів крупно-панельних житлових будинків 94-ої серії, ще виконувалися інститутом УКРМІСТБУДПРОЕКТ для різних ДБК України, проектування систем опаленні цивільних та промислових будинків НВФ “Сантехпром".

Достовірність отриманих результатів підтверджена подібністю результагів розрахуіпсів, даних натурних спостережень та лабораторних досліджень.

Публікації. За темою дисертації опублікоїано 11 робіт.

Структура та обсяг роботи. Дисертації складається з вступу, 5 розділів, загальних висновків, списку літератури з 173 найменувань та додатків, 42 сторінок малюнків, 14 сторінок таблиць, 124 сторінок основного тексту, всього 180 сторінок.

ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ. У вступі розглядається актуальність, наукова новизна та практична цінність досліджень, що виконувалися, визначена мета дисертаційної праці та основні задания, іцо слід розв'язати для досягнення поставленої мети.

Перший розділ. У першому розділі наведений огляд робіт, присвячених дослідженням теплового сприймання та самопочуття людей, що знаходяться у приміщеннях цивільних будівель, стану та перспективам методів проектування, розрахунку, виробництва та експлуатування зовнішніх огороджуючих конструкцій. Дані цих досліджень дозволяють твердити про необхідність проектування і застосування огороджуючих констругцій цивільних будівель із підвищеним опором теплопередачі, що дас змоіу підгримувати комфортні параметри температурно-вологісного режиму приміщення зі зменшеною витратою теплоти на опалення.

З грудіея 1995 р. до березеня 1996 р. проводилися натурні спостереження температурних полів зовнішніх огороджуючих конструкцій житло-

вих будинків серій 163 та Д-57 Ю Л. Проведені спостереження довели, що перепад між температурою повітря та температурою внутрішньої поверхні несвітлопрозорих огороджуючих конструкцій складав 5-Ю°С, світлопрозорих огороджуючих конструкцій - 7-І4°С, внаслідок використання мешканцями електрообіїріваючкх приладів та спалювання природного газу на потреби опалення у денний період відзначені різкі стрибки температури внутрішнього повітря протягом доби. Вночі відзначено значне охолодження приміщень. Протягом двох третин періоду проведення досліджень, прк від'ємних температурах зовнішнього повітря на внутрішній поверхні світлопрозорих огороджуючих конструкцій, а ТІКОЖ у зоні стику панелей зовнішнього куту помічена конденсація вологи. Ці дані свідчать про недостатній рівень теплозахисту зовнішніх огороджуючих конструкцій з Яо=0.88 н2*°С7Вг.

Зараз у виробництво впроваджуються тришарові стінові огороджуючі конструкції з Ко= 1.6 - 2.5 м2*°С/Вт. їхнє використання у поєднанні з конструкціями горищних та підвальних перекрить з Но=2.3 ■ 3.0 мг<°С/Вт, світлопрозорими огороджуючими конструкціями Ио=039 - 0.5 м2*°С/Вт, дозволяє знизити витрату теплоти на опалення на 30 - 32% на м2 житлової площі.

Підвищена вологість, що знижує теплозахисні якості визначається технологією виробництва тришарових огороджуючих конструкцій. Під час подальшого експлуатування у конструкціях інтенсивно протікають процеси масообміну.

Дослідження процесів тегшомасообміну отримали глибоке освітлення у працях О. В. Ликова, В. М. Богословського, К. Ф. Фохіна, Ф. В.Уш-кова, В. М. Ільїнеького, В. І. Лук'янова. Вирішенню завдань даного класу присв'ячені праці О. В. Ликова, О. П. Ванічева, О. А. Самарського, М. М. Бшясва, О. А. Рядно, Г. М. Дульнева, Ю. А. Матросова, Ю. А. Та-бунщикова.

Аналіз недоліків методах оцінки тепло-вологісного стану огород-

жуючих конструкцій дозволив твердити про необхідність удосконалення методики розрахунку нестаціонарних температурно-вологісних полів з урахуванням непінійності та взаемопов'язаності процесів переносу тепла н маси, фазових перетворень вологи та фільтрації вологого повітря.

Наведений у першому розділі огляд стану проблеми, а також результати натурних спостережень дозволили поставити мету та визначити завдання дисертаційної роботи.

Другий розділ. У другому розділі приведений уточнений опис процесів дифузії водяної пари з урахуванням фазових перетворень рідини, опис теоретичних основ методики розрахунку тспловологісного стану огороджуючих конструкцій, опис математичної моделі рішення задачі, наведена оцінка апроксимації, стійкості, співпадання та точності розрахункового методу.

Тсгшомасообмін у огороджуючих конструкціях з урахуванням фазових перетворень волога та фільтрації повітря описується системою диферснційних рівнянь у частинних похідних:

д і__а_

д т $ п

д П

от д х с7 П

д О - й * д и2 ... д і

л/**" І

^ ІЛ- А.

д х д п

д Ц, „ д и2

-------і- «• * -------------------і

а з у

ах ох

.^=0, д х

Змішані Граничні умови третього та четвертого роду для системи (1):

«•- *['п(1)~ '.(»))«* - + Х«*( ^)|« = °>

=о.

Ь[ес(і)-ев(г)]^ = 0.

Умові! сполучених на межі розділення двох матеріалів із різними теїшо-фізичниии властивостями мають виїтощ:

(3)

jx**

т Я-е ==(«2),*n(4)J MtO*

Умови сполучення теплового потоку та потоку вологи на межі фазового переходу рідина - криофаза:

~х> *(Й^=~%і * 'м *p*fe) *Аи2-3'

"P‘4feK = ~P2 (4)

. P*feb*feb-

Умови сполученій теплового потоку, потоків водяної пари та вологи у площині фазового переходу рідина - пара:

~х'* =~Хг * ±:г,-г*р* (If) *Л щ-г'

=-*• (If)*"- ±р*Ш'Лщ-” (5)

-р, =-ь±p*fe)M“-

Стартові умови:

’f(s,0) = /(*), е(х,0) = f(x),

«а(*,0) = /(*), (6)

ИзМ) = /(л),

Р(х, 0)= /(.*),

Залежно від величини потенціалу переносу тепла, волога, температури та вологості матеріалів огороджуючої конструкції можливі варіанти процесів дифузії водяної пари.

Дифузія водяної пари крізь конструкцію, див. мал. І .а:

фв*Е* (tB) >ф Н*Б, (tH), <р і < І,

Ui =f (^•Es(ti), фв*Е*0в), <Pn‘R{tK), x/fL), grad t* 0, (7)

Дифузія з конденсацією частини водяної пари у конструкції, див. мал. 1.6:

фв*Е*(Іа ) > 9a*Es((« )t фі ~ І >

Ui =f(<p,*Ev(ti), qvE,(t„), фн'&Он), Х/|Х, t), grad t * 0, (8)

Осушення конструкції при grad t= 0, див. мал. І з:

<{>в*Е*0в ) < 9i*Et(ti) > qh.*E«(tH), ф, = J,

Ui =f(cpa*E,(tB ), cpH‘E,(t„), хДі, x), grad t = 0, (9)

Осушення конструкції при grad te 0, див. мал. І .г:

<pB‘E^te) < $i*E^ti) > <уи*Е,(Іи), ері = I, u, =f((?B*Es(ta ), q>s *E,(tH), х/ц, t), grad t^O, (10)

Зволоження огороджуючої конструкції за рахунок сорбції водяної

пари з навколишнього повітря, див. рис. 2-а:

<рВ*Ес(ів ) > ), <рі І ,

Ui =Г(фа*Еї(Ів ), 9n*E,(tH), х/ц, т), grad t = *0, (11)

Осушення конструкції на сорбційній стадії вологості матеріалу, див.

мал. 2.6:

фа*Е*(ів ) ^ фі*Не(їі ) ^ 9»*Ei(tB ),9і ^ ^ >

и, =Г(фв‘Е*(Ів), <?н*Е*0и), і/ц, т), grad t = *0, (12)

Зміна вологості матеріалу в зоні фазового переходу залежно від фрошу розташування фазового переходу в [%] у товщі однорідного матеріалу:

л и (13)

12 №Axt*<f,

На поверхні конструкції:

Аим = -£^-, (14)

5*Л х,

У площині зіткнення матеріалів, дня I-того та i+1-го шару матеріалу конструкції:

л _____________4 т____________t Р°і f|5)

'lf 5*(Л х,*р, +Л хм*Річ) ІЬ, + Ром '

іг, t ^ /1 \

5*(4 Х,*Р,+А хы *pw) Ро, + ІЬм'

1 Іерелічені процеси дифузії водяної пари в огороджуючій конструк-

«)

б)

І. с

Не, Па 20

220о

1250

1400

іесо-

250

Ч,ВіЛ«'

*)

і.°С 17 '

Е,.ги

ІІВО

1700

6,31»|

Товщина конструкції'

і.гр/Час**1 і.грАис**1

^-Г~

Г)

Товщина конструкції

75-

• А\ .

І.иС

20“

Ч, Бт/а' і, грАтс**1

Е»,Ги *• 2200

іт ■

І 5..

£ 1000 -<£*- боо ..

■ 10-1

о ' 0.36<1

Товщина конструкції

Товщина конструкції

Малюнок І. Розподіл температури Є, парціального е та тиску насиченої водяної пари Ез у керамзитобетонній конструкції: а) під час дифузії водяної пари; б) під час дифузії з конденсацією частини водяної нари у огороджуючій конструкції; в) під час осушення та відсутності градієнту температури; г) під час осушення та наявності градієнту температури.

1 - стаціонарне розподілення температур;

2 - розподіл максимального тиску водяної пари;

3 - стаціонарне розподілення парціального тиску водяної пари.

Н,,Па ь°с 2200 Т18"'

і

і

■»

1500 - 8

‘М

е.

0

0,3 [а]

о

0,3 [н]

Товщина конструкції Товщина конструкції

Малюнок 2. Розподіл температури, парціального й тиску насиченої водяної пари у керамзитобетонній конструкції в процесах на сорбційній стадії зволоження: а) осушення; б) зволоження.

1 - стаціонарне розподілення температур;

2 - розподіл ісаксимального тиску водяної пари;

3 - стаціонарі® розподілення парціального тиску водяної пари.

ції можуть бути ускладнені молярним переносом вологого повітря. Параметр, що відповідає за здатність вологого повітря уіримуватн водяну пару - Се, являє собою аналог теплошкості повітря у процесах передачі теплоти, та визначається за формулою [г/кг*Па]:

Розподіл температури, парціального та тиску насичення водяної пари у огороджуючій конструкції з урахуванням фільтрації повітря наведений у третьому розділі.

В загальному випадку на розрахункову область наноситься нерівномірна сітка, визначаються величини об’ємних концентрацій компонентів багатокомпонентної системи скелет матеріалу - вологе повітря - рідина -лід у вузлах сітки. Коефіцієнт теплопровідності X багатокомпонентної системи та ефективна об'ємна теплоємкість визначається залежно від об'ємних концеїпрацій та фазового складу вологи. Величина коефіцієнту воло-

С

622 * Р$

(17)

гопровідності р визначається залежно від структури матеріалу, характеру зв'язху вологи з матеріалом, температури та фазового складу вологи.

Для визначення полів потенціалів переносу теплоти та иаси на наступному часовому відрізку були використані співвідношення:

- прн знаходженні вузла сітки у площині зіткнення матеріалів із різноманітними теплофізичними властивостями:

Коефіцієнти, що входять до рівняння:

Л ~

і-2

де Аі - коефіцієнти:

А -(Х| *Ауі *Лг> *Лгі +%з*4у> *М + К**Уі *ЛгА*Л і

2 V. А*ор*Ахх )

Сх^ЛУі^ЛХі + Хі*Ау1*Аг]+Х,*Ауі*Лг1+Хі *Ау, МгЛ.^^

V 4 *ср*А хз ) ’

А (*">* Ах> *г*гІ + і-4 *Ах, + Ят *Ахг *Дг1 + А, * Ах2 ♦/Ід, V ^

4 І 4*ср*Ау1 ) ’

^*АХі **А22 + Х}*Ах1*Аг, +%(*Ахг*Аг3'^л^ ^ (19)

Л (кі*Лх> *Л>* + У^і *4Гі + V Лхг * ДУг + К * л*і *4гЛ » л .

^ І 4*срМг, ) ’

А _( 'АУг + Ь* *Л*з*Ауг + X,*/!*, *А у, + Х,М*а*4.уЛ

’ І 4*ср*А г, )

*(Лу2*Лг' +ЛУ1*ЛЪ+ЛУ,*ДЪ+ДУ1*ДЪ).4

'І 8’ср і

10*ср ’

деср:

М х, ♦ А у, *А г, *с, »р, + А х, * А у3 *А г3 »са »ра 4

V 8

■* Ах ^ А у1* А г^с., *р3 + А х^* А у{+А г2* Сі *р+ + А х2*Ау2*Аг1*е) *р5 +

І

_ . _ І х, * А

8

+4 *і 4 Уі *&гг*с( *Р; + Ах3*А у, *А гх *с, »р, +А хг + Ауг*А гг *с, »рЛ

8 ;

- при знаходженні вузла сітки на мені розподілу твердого та рідкого

середовища (поверхня конструкції):

^= Б, *? + Б3 +Б, + Б* ь + В} *І„ + ( .

^ Б4 *Іг.л,, +Б, П^ + Б.*^,, +Б, *^„±Б, ^

Коефіцієнти, що входять до рівняння:

м

де Б, - коефіцієнти: ї Я, +Яа »4у»4»,Ул с

V. 4*ср*Ах, ) V 4*ср*А х2 ) ’

Б (^І*АкІ*Д2|+Дд*ДХіІ>А2д+Д3>Дх1*Дг> + Л4*Ах1*А2ІУ^ ^

4 І 4*ср*А у ) *

Вз-.а»^Ьі*М+Д*і*Д*г + Д*і*Ае1 + Ах1*АгіуЛТ' ^

Г. -(Хі*Ахі*АУ+х**Ахі*АУ\*Лт в -Г^*Ах'*Ау +кз*А*2*^1 *л т “'І 4 «фМ:, )А*’*>-{ )Л''

Б, = IVі*ср * ^Ахі*А*г+Ах*Агі+Ахі*А!і+А*і*Аг^ * а х

в - п-і'К'Л*

9 5 *ср '

Де ср:

Г ^ *» ■У * А ^ *СІ *Р| ^ •*! *А У* А 21 *С2 *Р; *

I 8

+А х2*Ау*Ахг*с3*р3 + Ахг*Ау*Аг[*с4 *р4^

_ у

Перевірка стійкості, апроксимації та співпадати розрахункової схеми довела, що при здрібненні відрізків розподілу розрахункової області по х та х, при дотриманні умов виду:

™і*(Л х2+Л у’+Д г’Ьл г, (22)

2*а ' ’ ср \ Д к, /

,--------іга-------5га,, (зз)

( 2*а 2*д 2*а 2»к | Ср \.Л х Ьт) ' '

чДл* Л./ 42^ /Ід^с^у

-7________І.(2!*-Лиг. (24)

2»/-А-+*4з..4Ь.?4'і +-Чс,, чД * )

Ьіді Ах, А/ А/ )

н

де а - найбільше значення коефіцієнту температуропровідності на області, що розраховується; Є і,2,зи,5,б - додатне число, укладене між 0 та 1, схема збігається до точного рішення з першим порядком за часовою та другим порядком за просторовою координатою. Оцінка точності схеми за критерієм Рунге на вкладених нерівномірних сітках дала величину відносної помилки рішення, що не перевищує 6 %.

Залежно від геометричних та теплофізичних властивостей області, що розпадається, за (22,23,24) визначаються максимально можливі величини часового відрізку та масової втрати повітря для процесів теплопередачі, паропроникнення та вологопровідносгі, виходячи з умови стійкості розрахункової схеми. За розрахунковий Ах приймають мінімальний. Якщо \У[>:яр > \Упки, необхідно або зменшувати витрату повітря, або спинити розрахунок. Далі за (18), (20) розраховуються температурні поля на наступному часозому відрізку. За результатами розрахунків температурних та полів вологості матеріалу огороджуючої конструкції визначаються величини парціального тиску водяної пари у середовищі навколо розрахункової області, а також у самій конструкції. Для обчислення величини парціального тиску водяноі пари у конструкції, використані ізотерми сорбції матеріалів. Якщо вологість матеріалу конструкції у даному перетині перевищує максимальну сорбційну вологість при <ра =100%, у перетині водяна пара знаходиться у насиченому стані Еэ. Якщо вологість матеріалу в перетині менш максимальної сорбційної вологості при фв = 100%, необхідно шукати корені рівняння ізотерми сорбції даного матеріалу в проміжку фи 0 + 100%. Якщо водяна пара у порах матеріалу знаходиться у ненасиченому стані, визначається відносна пароємкість матеріалу. Враховуючи фільтрацію вологого повітря у розрахунковій едемі, вираховуємо величину вологоємкості повітря для всіх вузлів сітки.

Далі за (18), (20) визначаються величини парціального тиску водяної пари на наступному часовому відрізку. При наявності зони фазового переходу рідина- пара, визначаються величини вологи що змінює фазо-

вин стан, далі відбувається перехід до розрахунку вологопровідності. При відсутності у огороджуючій конструкції зон фазового переходу пар -рідина розрахунки продовжуються до необхідного моменту, що задасться в умовах, після чого відбувається перехід до розрахунку поля вологості у матеріалі.

За результатами розрахунку температурного та поля парціального тиску водяної пари, якщо температура у деяких перетинах конструкції нижче температури замерзання (кінця відааювання) волога у порах, визначається кількість незамерзлої вологи, а також кількість криофази у порах матеріалу.

Розрахунок поля вологості матеріалу виробляється від зон із найменшим до зон із найбільшим відносним потенціалом вологості. При цьому, в межах одного шару матеріалу конструкції розрахунок ведеться від зони з найменшої до зони з найбільшою вологістю.

Результати розрахунку вологісного поля, а також кількість рідини та пари, яка змінює фазовий стан, на наступному часовому відрізку є вхідними даними для подальшого розрахунку температурного поля.

Третій розділ. Для підтвердження розрахункової методики у третьому розділі виконано порівняння температурних полів отриманих розрахунковим шляхом із даними натурній спостережень температурного режиму одношарової віброгазосшіікатної панелі. Розходження розрахункових та даних натурних спостережень не перевищувало 8 - 10%.

Зміна вологісного стану одношарової пінобетонної огороджуючої конструкції при фільтрації вологого поБітря показана на мал. З.а. Якщо grad І^Ота grad tt- 0, в умовах сксфільтрації, у конструкції утворюється зона конденсації водяної пари мал. З.а, лінія БВ. Дані чисельних досліджень довели, що розмір зони конденсації у значній мірі залежить від величини масової витрати повітря, що фільтрується крізь огороджуючу конструкцію, ніж від величини парціального тиску водяної пари повітря приміщення. Тому ексфільтрація зумовлює збільшення вологості огород-

жуючих конструкцій навіть у будинках із сухим режимом експлуатації.

Фільтрація холодного зовнішньою повітря виявляє осушуючу дію на огороджуючі конструкції. Шляхом обробки значень полів парціального тиску водяної пари показано, що зниження температури точки роси у перерізах матеріалу за рахунок інфільтрації зовнішнього холодного повітря в кілька разів вище зниження температури матеріалу, навіть коди величина масової витрати повітря мала, див. мал. З.б.

а)

І "с

Ь.Гк й

2Ж'

1800 1400

І ООО 600

2)0

•ІО

Ч І

б)

* . ВгЛґ

Товщина конструкції

Товщина конструкції

Малюнок 3. Розподіл температури та тиску водяної пари при фільтрації повітря: а) розподіл температури та тиску водяної пари; б) розподіл температури.

1 - стаціонарне розподілення температур;

2 - те ж, при інфільтрації, видатку повітря \У=0,4 [кг/година};

3 - те ж, при ексфільтрації;

4 - розподіл максимального тиску водяної пари;

5 - стаціонарне розподілення парціального тиску водяної пари;

6 - те ж, при інфільтрації, витраті повітря ^№=0,4 [кг/година);

7 - те ж, при зксфільтрації;

8 - розподіл температури точки роси, обчислений за стаціонарним розподілам парціального тиску водяної пари;

9 - розподіл температури точки роси, обчислений за стаціонарним розподілом парціального тиску водяної пари з урахуванням інфільтрації, при видатку повітря ^У=0,4 [кг/година];

10 - к ж, з урахуванням ексфільтраці».

На підставі теоретичних та експериментальних досліджень процесу сушіння матеріалів під час продування їх повітрям, отримана залежність, що пов'язує основні характеристики матеріалу, що сушиться з термодинамічними параметрами повітря, що фільтрується:

0,016*/*/>*(“.«-“.

Л т= -г— - г . (25)

6 иоо * 100 ')

де к - ступінь насичення водяною парою повітря, що виходить, визначається в % у вигляді функції відношення вологості матеріалу до максимальної сорбціонної вологості при $= 100%, в-иіи^ ще, а також часу зіткнення елементарного об’єму повітря з вологам матеріалом Тс-УИатЛ\\г, де Укст - об’єм сушимого матеріалу м5, Wv - об'ємна витрата повітря м5/с. Для визначеній к=Г (0, ть) у вигляді поліному другого порядку був використаний метод ортогонального центрального композиційного планування експерименту. На мал. 4 показані криві залежності ступеню насичення водяною парою повітря, що виходить під час продування вологах пінопластів.

0 1 2 3 4 5 6, Є

Малюнок 4. Криві залежності ступеню насичення водяною парою повітря, що виходить к=Г(9, Не), в %.

І )тс - 0.45 с; 2)тс - 0.42 с; 3)іс - 0.41 с;

Рівняння регрессії для діапазону 0 й 61 £ 2:

£=83,8+16,3*-^-^45>Г~ -12^*

1

0,025

(V)'

(26)

Дію діапазону 2 < 0г£5:

к=9І.8+2Д* Зс£+з*Тс ~^» Ь-Г.!^?5_ іу Г(27) 1,3 и р І 1,5 / І (№5/

Оцінка адекватності отриманих рівнянь (26, 27) проводилася за критерієм Фішера. Згідно данин експерименту дня обох рівнянь Кф£ КфТ.

Дослідасеніїя показали, що вайінтенсивніше сушіння відбувається коли б 2 І, ев вище +10 °С. За даних параметрах початкова вологість повітря незначно впливає на швидкість сушіння.

Використовуючи засіб сушіння, що пропонується, втрата теплоти складає 2,5 - 10 МДж на і м2 зовнішніх стін.

З метою встановлення геометричних параметрів - товщини захисного 5і, теплоізоляційного &2 та несучого шарів 8з тришарової огороджуючої конструкції при яких швидкість природнього сушіння максимальна, проведене чисельне моделювання вологісного режиму конструкції, тепло- фізичні характеристики матеріалів шарів якої наведені у таблиці 2.

Таблиця 2. Теплофізичні характеристики матеріалів шарів

Найменування матеріалу Щільність матеріалу кг/м3 Коефіцієнт теплопровід- ності Втіі*°С Питома теплоємкість кДж/кг*°С Коефіцієнт паропроник- нення мг/м*час*Па

Залізобетон 2400 1.51 0.84 0.03

Пінополістирол 100 0.04 1.36 0.05

Для мінімізації обчислювальної праці та підвищення точності чисельного аналізу даних був застосований симплекс-гратчастий иетод планування обчислювального експерименту.

Зміна вологості Ди за проміжок часу 2 рокн визначалася у вигляді функції товщин шарів тришарової огороджуючої конструкції за

фіксованою загального товщиною Ь=0.35 м. А и=Г (8і, Зг, Зз), у діапазоні варійованнх параметрів:

0.05 м.£ 8і £ 0.1 і м., 0.12 м.< §2^ 0.18 м., 0.12 м<: 8з£ 0.18 м., (28)

Рівняння регрессії, за даними експерименту міс вигляд:

Перевірка адекватності прийнятої моделі за результатами чисельного експерименту в контрольних точках довела, що розбіжність між прийнятою моделлю та експериментальними даними не перевищу с ± 3%.

Найбільша швидкість сушіння досягається у конструкції з такими параметрами: товщина захисного шару 8і - 0.05 м., теплоізоляційного 5г-

0.18 м., несучого 8з - 0.12 м. Аналіз кількості випарованої вологи за шарами показує, що величина зменшення вологості у шарі утеплювача для варіантів З і - 0.05 м., 8 г - 0.18 м., З з - 0.12 м. та 81 - 0.05 м., 8 г - 0.12 м., 8з - 0.18 и. змінюється незначно. Проте, при варіанті конструкції з 8 2 -

0.18 м. відбувається значне зменшення вологості у несучому шарі Аи=48.9%, а при 8 2 - 0.12 м. Ли дорівнює лише 32.7%. Збільшення товщини зовнішнього захисного шару при будь-якому співвідношенні 8г та 8з зменшує величину потоку вологи, що дифундує до зовнішньої поверхні конструкції. При максимальному значенні 81 - 0.11 м. А и складає 25.2%.

Четвертий розділ. У четвертому розділі дня експериментального підтвердження вірогідності розробленої методики розрахунку огороджуючих конструкцій наведені дані лабораторних іспиті* панелей марки НІ-86, 112-Зп та Н2-Зт житлових будинків серії 94 у кліматичній камері.

З метою визначення вірогідності зіставлення розрахункових та експериментальних даних вироблялася оцінка надійних інтервалів останніх при надійності Рн=0,95. Для цього визначалася сумаріа абсолютна помилка виміру температур та теплових потоків у конструкціях, що досліджували-

ся. Відносна помилка виміру температур поверхнь не переміщувала 2%, внутрішніх та зовнішніх температур повітря - 4%, теплових струменів 6%.

Розрахунки теплопередачі крізь конструкції, що доотіджуювалися проводилися за розробленою метода кою. Експериментальні та розрахункові дані величини опору теплопередачі дільниць конструкцій з теплопровідними включеннями (гнучкі та жорсткі зв'язки) наведені в таблиці 3.

Таблиця 3. Експериментальні та розрахункові дані величини опору теплопередачі дільниць конструкцій з теплопровідними включеннями

№/№ Найменування зони, що досліджується Опір теплопередачі дільниці, що досліджується експериментальне / розрахункове, м20СІВт

Ні-86 Н2-Зп Н2-Зт

і Зона впливу гнучкого зв'язку 2.12/2.26 - -

2 Зона впливу жорсткого зв’язку - 2.03/2.14 1.46/1.52

Розбіжність між розрахунковою та експериментальною величиною опору теплопередачі не перевищувала 6.2%.

П'ятий розділ. У п'ятому розділі наведене термо - економічне обгрунтування рівня теплозахисту огороджуючих конструкцій житлових будинків за величиною наведених витрат. Для оптнмізації системи, що розглядається коїпрольною поверхнею виділені: тришарова огороджуюча конструкція, система опалення та система природної вентиляції Для оптиміза-ції були складені матеріальний, енергетичний та ексергетичний баланси системи, що розглядається. Ексегія, що підведена до системи: з потоком теплоносія ет та тарифом цт; э електроенергією © и та тарним иь„. Втрати ексергії у системі: втрати ексергії внаслідок зовнішнього теплообміну з навколишнім середовищем сі^; втрати ексергії з вентиляційним повітрям, що викидається до атмосфери сЦ^; втрати ексергії внаслідок необоротного переходу теплоти від теплоносія до повітря приміщення с1т;

За характеристику обладнання, що використовусгьсз взяті сумарні відрахування від ного вартості, віднесені до однієї години праці:

г = (*» + + (ЗО)

де к« - нормативний коефіцієнтвідрахувань від вартості обладнання; кр - нормативний коефіцієнт відрахувань на реновацію; крен -нормативний коефіцієнт відрахувань на ремонт; Сі - вартість і-того елементу; тр - час у годинах праці обладнання на рік.

Вартість обладнання системи опалювання лінійно залежить від теплового навантаження, вартість теплозахисту огороджуючої конструкції обернено пропорційна кількості тепла, що проходить крізь огородження:

Са^АсО^ВсО^С^СО» Согр=Аогр +Вогр*Я, (31)

Для тришарових огороджуючих конструкцій, що впроваджуються до виробництва, характерна наявність теплотехнічної неоднорідності, що характеризується коефіцієнтом г. За статистичними оцінками, заводи ЗБК України випускають тришарові панелі з величиною коефіцієнту теплотехнічної однорідності г=0,55-0.9І.

Вираз для визначення товщини шару утеплювача з урахуванням теплотехнічної неоднорідністі конструкції:

,(32)

де К.у - величина опору теплопередачі шару утеплювача, м2*°С/Вт; Ісро - середня температура зовнішнього повітря за опалювальний період; І» тіп - температура зовнішнього повітря дня проектування системи опалення, °С.

За (32) проведені розрахунки варіантів теплоізоляційного шару для конструктивого рішення тришарової огороджуючої конструкції з параметрами: захисний шар - важкий бетоні р - 2400 кг/м3, 8 - 0.08 м., X - 1.86 Вт/м*°С, несучий шар - важкий бетон р - 2400 кг/м3, 8 - 0.15 м., X - 1.86 Вт/м*°С, у діапазоні зміни коефіцієнту теплотехнічної однорідності г=0,55

- 0,9 і для кліматичних углов першої температурної зони України. Дані розрахунків, для різноманітних матеріалів теплоізоляційного шару свідчать про те, що зі зменшенням коефіцієнту теплотехнічної однорідності, товщина теплоізоляційного шару зростає не лінійно. При збільшенні товщини теплоізоляційного шару, зростають витрати на виробництво конструкції, тому для отримання економічно доцільної величини рівня теплозахисту тришарових огороджуючих конструкцій слід застосовувати засоби перев’язки конструктивних шарів, при яких г прагнув би до і.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. На підставі аналогії процесів тепло- масопсреносу розроблена фізико - математична модель розрахунку процесів вологоперенесення у огороджуючих конструкціях при фільтрації вологого повітря.

2. Для чисельного моделювання процесів тепло- вологопередачі у огороджуючих конструкціях з врахуванням фільтрації вологого повітря та фазових перетворень рідини отримані рівняння, що описують вплив повітря, що фільтрується на температурне н поле парціального тиску водяної пари для неоднорідних огороджуючих конструкцій. Перевірена апроксимація, стійкисть та співгадання розрахункового методу. Показано, що при дотриманні умов Ах < Ахю!а, AW < AWmm обчислених виходячи з теплофізичних та геометричних характеристик розрахункової області схема стійка та сходиться до точного вирішення.

4. Точність розробленої мстодаки розрахунку температурно-воло-гісних полів підтверджена порівняннім з даними натурних спостережень температурних полів проведених автором, експериментальними дослідженнями теплотехнічних якостей огороджуючих конструкцій з теплопровідними включеннями, виконаних спільно з колективом відділу будівельної теплофізики КиївЗНДІЕП, а також порівнянням з даними аналітичних рішень. Максимальна розбіжність даних не перевищувала 8 - 10%.

5. Аналіз температурних та полів парціального тиску водяної пари при grad tit о, grad t* 0, в умовах фільтрації вологого повітря показує, що

при ексфільтрації в огороджуючих конструкціях утворюється зона конденсації, розмір якої залежить від величини масової витрати повітря. Фільтрація холодного зовнішнього повітря виявляє осушуючий вплив на огороджуючу конструкцію.

6. Запропонована методика розрахунку процесу сушіння будівельних конструкцій при фільтрації вологого повітря. Встановлені режнмні параметри процесу - температури га та відносної вологості <рв повітря за якими данин спосіб сушіння ефективний. Показано, що при температурах повітря вище +І0°С початкова вологість повітря виявляє незначний вплів на швидкість сушіння.

7. Максимальна швидкість природного сушіння для типорозміру тришарової огороджуючої конструкції товщиною Ь=0,35 м. досягнута для варіанту конструкції з параметрами - захисний шар 0.05 м, шар утеплювача 0.15 м<5г^ 0.18 м, несучий шар 0.12 м<, 5з£ 0.15 м., тобто товщини зовнішнього захисного та внутрішнього несучого шарів мінімальні.

8. Виконано термоекономічие обґрунтування товщини теплоізоляційного шару щя тришарових конструкцій з коефіцієнтом теплотехнічної однорідності г=0.5-1. Показана необхідність застосування конструкцій з г близьким до одиниці.

9. Розроблені рекомендації щодо застосування методики розрахунку нестаціонарною тепловологісного стану огороджуючих конструкцій, зміні конструктивних параметрів існуючих тришарових стінових огороджуючих конструкцій цивільних будинків, застосуванню сушіння конструкцій при фільтрацфїї повітря.

10. Резуїьтатн роботи використовувались для теплотехнічних розрахунків експериментальних стінових панелей відділом будівельної теплофізики КивЗНДІЕП, при корегуванні зовнішніх огороджуючих конструкцій типових проектів житлових будинків 94-ої серп, що виконувалися інститутом УКРМІСТБУДПРОЕКТ для ДБК України, проектування систем опаленая цивільних будівель м. Харкова НВФ “Сантехпром”.

Будівництво житка за проектами що відкореговувались, дозволить знизити витрати теплоти на потреби опалювання на 5-10%, забезпечити параметри середовища приміщення у зоні комфортної обстановки. Основні положення дисертації опубліковані в працях:

1. Чайка Ю.И. О точности решения одного дифференциального уравнения, встречающегося в теории тепломассопереноса. В сб.: ’’Повышение эффективности строительства.” Тезисы докладов 50-й научнотехнической конференции. X.: ХГТУСА. 1995 г. 137 с.

2. Редько А.Ф., Чайка Ю.И. Анализ теплотехнических качеств ограждающих конструкций. В сб.: "Повышение эффективности строительства" Тезисы 49-й научно-технической конференции. X.: ХГТУСА. 1994 г. 134 с.

3. Редько А.Ф., Чайка Ю.И. Метод расчета влагопередачи пористой стенки при фильтрации влажного воздуха. В сб.: "Повышение эффективности строительства.” Тезисы докладов 50-й научно-технической конференции. X.: ХГТУСА. 1995 г. 137 с.

4. Редько А.Ф., Чайка Ю.И. Энергосбережение в строительстве. В сб.:" Проблемы и перспективы ресурсосбережения в жилищно-коммунальном хозяйстве в Тезисы международной научно-практической конференции. X.: ХГАКХ. 1996 г. 254 с.

5. Редько А.Ф., Чайка Ю.И. Учет фазовых превращений жидкости при теплотехнических расчетах ограждающих конструкций. / ХГТУСА . Харьков. 1996. - 9 с. Деп в УкрНИИТИ 01.07.96. №. 1522-Ук 96.

6. Редько А.Ф,, Чайка Ю.И. Паропроницание и фильтрация воздуха в пористом ограждении. / ХГТУСА . Харьков. 1996. - 11 с. Деп в УкрНИИТИ 01.07.96. Ж 1520 - Ук 96,

7. Редько А.Ф., Чайка Ю.И. Метод расчета тегщовлагопсрсноса в ограждающих конструкциях зданий с учетом фазовых превращений. В сб.: "Строить - значит думать о будущем.” Тезисы докладов 51-й научнотехнической конференции. X.: ХГТУСА. 1996 г. 197 с.

8. Редько А.Ф., Чайка Ю.И. О сроках проведения теплотехнических испытаний ограждающих конструкций. В сб.: ’’Строить - значит думать о будущем.” Тезисы докладов 51-й научно-технической конференции. X.: ХГТУСА. 1996 г. 197 с.

9. Редько А.Ф., Чайка Ю.И., Черных Л.Ф. Застосування автоматизації проектних робіт для рішення проблем енергозбереження у будівництві./ Будівництво України №2. 1997 г.

10. Редько А.Ф., Чайка Ю.И., Черных Л.Ф. Исследование сушки Строительных материалов.” В сб.: ’’Коммунальное хозяйство городов.” Вып. №

9. Киев: “Техніка.” 1997 г.

11. Редько А.Ф., Маляренко В. А., Чайка Ю.И., Черных Л.Ф. Исследование естественной сушки трехслойных ограждающих конструкций жилых зданий. В сб.: "Коммунальное хозяйство городов." Вып. № 9. Киев: “Техніка.” 1997 г.

УМОВНІ ПОЗНАЧЕННЯ х- час, сск; І - температура, °С; Еэ - максимальний тиск водяної пари при температурі і, Па; с - парціальний тиск водяної пари, Па; и - загальна вологість матеріалу, %; иг - вологість матеріалу, %; из - величина криофази,%; ф - вологість повітря, %; А. - коефіцієнт теплопровідності, Вт/м°С; ц - коефіцієнт паропроїшкнешя, мг/м*час*Па; р - коефіцієнт вологопровідності, г/м*година*%; с - питома теплоємкість, Дж/кг*°С; ср -юобариа теплошкість повітря, Дж/кг *°С; р - щільність матеріалу, кг/м5; а

- коефіцієнт температуропровідності, и2/сек; q - величина теплового потоку, Вг, Се - питома вологоємкість повітря, г/кг*Па; - відносна паросмкість, г/(кг*%); W - масова ипрата повітря, кг/м2*сек; а -коефіцієнт тепловіддачі, Вт/м2*°С; г - коефіцієнт теплотехнічної однорідності; И. - термічний опір Ш, м2*°С/Вт; Ах, Ау, Аг - крок розподілу сіпси по координаті х, у, г; АтЮм - максимально можливий розрахунковий проміжок часу, сск;А\У гсаі * максимально можливз. розрахункова кшеовз витрата повітря, кг/иг*сек; Р - повний тиск вологого повітря, Па; гі-хг-з*^ • інтенсивність внутрішніх джерел тепловиділення, Дж/м5*сек; Ь* -кількість вологи що змінює фазовий стан г/м2*час; Ро - відносний потенціал вологості, °В.

Чайка 10. И. Совершенствование методики расчета нестационарного тепловлажностного состояния ограждающих конструкций зданий.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.03 - “Вентиляция, освещение и теплогазо-снабжение” Харьковский государственный технический университет строительства и архитектуры. Харьков 1997. На защиту выносится - математическая модель расчета нестационарного тепловлажностного состояния ограждающих конструкций зданий с учетом фазовых превращений влаги, фильтрации влажного воздуха; инженерный метод расчета нестационарного тепловлажностного состояния ограждающих конструкций зданий основанный на решении дифференциальных уравнений тепло-массопереноса. На основании математического моделирования нестационарного тепловлажностного режима, с целью повышения сопротивления теплопередаче Ио, разработаны рекомендации по изменению конструктивных параметров существующих третслойных стеновых ограждающих конструкций жилых и общественных зданий. Предложена методика рас-

и

чета процесса сушки строительных конструкций при продувке их влажным воздухом. Результаты работы использовалась при корректировке наружных ограждающих конструкций типовых проектов жилых домов 94-й серии, проектирования систем отопления. Результаты диссертации изложены в 11 научных трудах.

Chaika Y.I. Improvement of calculation method of non-stattonaiy tempera-ture-moistuie regime of enclosed building construction.

Thesis for a technical scientific degree on speciality 05.23.03 - ventilation, lighting and heat, gas supply, the Kharkov State Technical University of Construction and Arxitecture. Kharkov 1997. Mathematical calculation model of non-stationary temperature-moisture regime of enclosed building constructions, which take into account phase conversion moisture, moisture air flltration; technical of calculation method of nor.-stationaiy temperature-moisture regime or enclosed building constructions, based on the solution of differential equations of temperature-moisture carrying are presented for a scientific degree. On the basis of mathematical modeling of non-stationary temperature-moisture regime, with the purpose' of lesistance of heat Ro increasing recommendations on the design data changng of the existing three-layer wall of enclosed constructions of the public buildings are developed. Method of process calculation of building constructions drying while blowing by humid air are proposed. The results of research while making corrections of enclosed constructions of dwelling buildings of series № 94, systems of heat designing are used. The thesis results are presented in 11 scientific publications. .

Ключові слова рус. - укр. • англ.: теплопередача - теплопередача -heat transfer, влагояередача - вологопсрсдача - txolstwe transfer, сушка -сушіння - drying, влажность - вологість - moisture.