автореферат диссертации по строительству, 05.23.03, диссертация на тему:Влияние лучистой системы отопления на теплоизолирующие свойства покрытий производственных зданий и сооружений

На правах рукописи

Давлятчин Рустам Русланович 003405070

ВЛИЯНИЕ ЛУЧИСТОЙ СИСТЕМЫ ОТОПЛЕНИЯ НА ТЕПЛОИЗОЛИРУЮЩИЕ СВОЙСТВА ПОКРЫТИЙ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

Специальность 05.23.03 - «Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 С КОЯ

Тюмень, 2009 г.

003485070

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Тюменский государственный архитектурно-строительный университет»

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук, доцент

Куриленко Николай Ильич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Бодров Валерий Иосифович

доктор физико-математических наук, профессор

Кузин Александр Яковлевич

Ведущая организация:

Уральский государственный

технический университет - У ПИ им. Первого Президента России Б.Н. Ельцина

Защита состоится 11 декабря 2009 г. в 10 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.272.01 при ГОУ ВПО «Тюменский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 625001, г. Тюмень, ул. Луначарского, 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Тюменский государственный архитектурно-строительный университет».

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направлять в адрес диссертационного совета ТюмГАСУ. В экстренных случаях копию отзыва можно направить по факсу 8-(345-2) 43-43-61, с последующей отправкой по почте.

Автореферат разослан «09» ноября 2009 г.

Ученый секретарь Пронозин Яков Александрович

диссертационного совета /}

Д 212.272.01

кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Активная техническая политика тепло- энергоресурсосбережения, начавшаяся в начале 90-х годов, послужила причиной масштабного внедрения радиационной системы отопления. Так, для отопления корпусов одноэтажных промышленных предприятий больших объемов, повсеместно производилась замена конвективной системы отопления на лучистую (радиационную) с использованием газовых инфракрасных излучателей (ГИИ).

В свою очередь, ограждающие конструкции эксплуатируемых промышленных зданий, рассчитанные с учетом традиционных конвективных систем отопления, оставались без изменения.

В настоящее время, по различным оценкам специалистов, износ кровельного ковра промышленных предприятий приблизился к критическому уровню. Это обусловлено, прежде всего, работой кровли в широком диапазоне температур, не исключая значений температур ниже точки росы и значений, превышающих максимально допустимые температуры.

Проблема тепло- энерго- ресурсосбережения при отоплении производственных зданий не может быть решена исключительно за счет экономии энергетических ресурсов при использовании радиационной системы отопления без учета влияния систем лучистого отопления на теплотехнические свойства покрытий.

Кроме решения вопросов о создании оптимальных условий микроклимата в рабочей зоне и экономии топливно-энергетических ресурсов при использовании газовых инфракрасных излучателей, необходимо уделять внимание отдельным аспектам лучистого отопления, в частности, сложному процессу лучисто-конвективного теплообмена с многослойной конструкцией кровли.

Цель работы: создание рекомендаций эксплуатирующим организациям

при внедрении лучистой системы отопления, а также проектным организациям

при проектировании вновь строящихся зданий с лучистой системой отопления

3

по устройству или реконструкции существующих конструкций кровель, оптимальному размещению ГИИ по высоте с учетом излучения в верхнюю зону, выбору конструкции и единичной мощности ГИИ.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

• разработать физико-математическую модель процесса нестационарного теплопереноса через многослойную конструкцию кровли при условии лучисто-конвективного теплообмена с ГИИ и численно показать ее состоятельность;

• получить эмпирические зависимости, позволяющие определить влияние лучистого отопления на теплозащитные свойства покрытий, при помощи экспериментальных исследований тепловлажностного состояния кровли и теплообмена газовых инфракрасных излучателей с многослойной конструкцией кровли производственных зданий.

Научная новизна диссертационной работы:

• впервые изучено влияние тепловой радиации ГИИ на теплотехнические свойства покрытий производственных зданий;

• для исследования влияния систем лучистого отопления на многослойные конструкции кровель разработан и опробован теоретико-экспериментальный метод, позволяющий в зависимости от интенсивности лучистого теплообмена определять тепловое состояние кровель, а также находить из решения обратной задачи эффективный коэффициент теплоотдачи на ее внутренней поверхности;

• разработан новый комплексный метод проведения теплотехнического тепловизионного измерения влияния ГИИ на теплозащитные свойства покрытий;

• разработаны рекомендации по выбору вида и типа покрытия производственного здания при радиационной системе отопления.

Практическая значимость работы заключается в эффективном внедрении результатов теоретико-экспериментальных исследований.

Реализация результатов работы: на основании теоретико-экспериментальных исследований обоснована необходимость реконструкции и реконструированы существующие кровли ряда производственных зданий; отдельные положения диссертации включены в курс лекций по строительной теплофизике.

На защиту выносятся:

• физико-математическая модель, описывающая процесс нестационарного теплопереноса через многослойную конструкцию кровли при условии лучисто-конвективного теплообмена с ГИИ;

• методика экспериментальных исследований по определению эмпирических зависимостей, отражающих влияние лучистого отопления на теплозащитные свойства покрытий;

• рекомендации по устройству и реконструкции кровель производственных зданий и сооружений, отапливаемых радиационной системой отопления.

Результаты исследований, включенные в диссертацию, базируются на аналитической теории теплопроводности, математической физике, математическом моделировании, метрологии и метрологическом эксперименте, на результатах научно-исследовательских работ.

Достоверность результатов подтверждается обоснованием принятых допущений при проведении теоретических и экспериментальных исследований и обеспечена:

• использованием современных методов проведения экспериментальных исследований на основе поверенного сертифицированного измерительного оборудования;

• сравнением результатов, полученных численными и экспериментальными методами;

• сопоставлением полученных результатов с результатами других исследователей.

Апробация работы в виде докладов проходила на следующих конференциях: Всероссийская научно-практическая конференция «Актуальные проблемы строительства, экологии и энергосбережения в условиях Западной Сибири», г. Тюмень, 2008 г.; научная конференция молодых ученых, аспирантов и соискателей ТюмГАСУ, 2008, 2009 г.; III Международная научно-техническая конференция «Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции», г. Москва, 2009 г.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в 6 научных публикациях, в том числе в издании, включенном в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 37 источников, приложений. В приложениях представлены программа расчета теплового состояния многослойной конструкции кровли на языке Фортран, а также документы, подтверждающие внедрение полученных результатов в практику.

Полный текст диссертации содержит 120 страниц машинописного текста, включая 49 рисунков, 8 таблиц и два приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели, задачи исследований, научная новизна, представлены положения, выносимые на защиту.

В первой главе выполнен литературный обзор отечественного и зарубежного опыта исследования теплового состояния покрытий производственных зданий и сооружений, лучистой системы отопления.

Отмечено, что основные теоретические принципы, связанные с расчетом радиационного отопления крупных зданий и сооружений павильонного типа с

бесконечно большой площадью в плане, были сформулированы в работах: А. Мачкаши, Л. Банхиди, В.Н. Богословского, А.К. Родина, О.Н. Брюханова, А.И. Богомолова, Н.И. Куриленко, Л.Ю. Михайловой, Б.М. Зиганшина, В.В. Шиванова.

Анализ научных работ подтвердил актуальность решаемых задач.

Во второй главе определены типовые производственные здания и сооружения, конструкции покрытий и соответственно их теплозащитные характеристики, для которых разработанные методики применимы без существенных доработок.

В работе приводится утверждение, что наиболее эффективным, с точки зрения обеспечения теплозащитных свойств, является многослойная конструкция кровли, в которой одни слои обеспечивают механическую прочность, другие - тепло- влаго- и парозащиту конструкции.

Анализ существующих покрытий и нормативно-технической литературы показал, что типовая кровля производственных зданий и сооружений состоит из следующих конструктивных элементов:

1. Несущее основание под кровлю — в качестве основания используют железобетонные ребристые и плоские плиты, изготавливаемые из тяжелого или конструкционного легкого бетона, а также профилированные стальные оцинкованные листы.

2. Теплоизоляционный слой — рулонные материалы, жесткие плиты, напыляемые материалы.

3. Основной водоизоляционный ковер - слои рулонных материалов на мастиках или слои мастик, кровельные мембраны армированные стекломатериалами.

4. Дополнительный водоизоляционный ковер - служащий для усиления основного водоизоляционного ковра.

5. Защитный слой - предохраняющий основной водоизоляционный ковер от механических повреждений, непосредственного воздействия атмосферных факторов, солнечной радиации и распространения огня по поверхности кровли.

Автором в данной главе определены причины разрушений покрытий производственных зданий. По его мнению, основной причиной образования различного рода разрушений кровли является увлажнение кровли вследствие таяния снежного покрова и конденсации водяного пара. Отмечено, что характер разрушений при этом может достигать масштабов полного разрушения кровли (коррозия металлических несущих конструкций, циклические замораживания несущего бетонного основания кровли и др.).

В работе подчеркивается, что работоспособность кровли, ее тепло-влагозащитные свойства, целостность конструкции на протяжении всего регламентного периода эксплуатации напрямую связано с тепловлажностным состоянием, которое находится в прямой взаимосвязи с лучистой системой отопления.

Анализ нормативно-технической документации, связанной с проектированием покрытий, позволил автору прийти к выводу - на сегодняшний день проектирование кровель основано лишь на двухуровневом принципе нормирования тепловлагозащитных качеств:

1. По санитарно-гигиеническим условиям, не допускающим образования конденсата и плесени на внутренней поверхности покрытий, а также их морозного разрушения в результате переувлажнения.

2. Из условий энергосбережения и долговечности. Второй уровень установлен с целью экономии энергозатрат на отопление зданий и снижения расходов на капитальный ремонт.

Отмечено, что данные принципы применимы для зданий, использующих традиционную конвективную систему отопления. Для условий лучистого отопления необходима разработка дополнительных принципов, учитывающих процесс теплового взаимодействия кровли с ГИИ.

В качестве рекомендаций по реконструкции покрытий производственных зданий и сооружений автор приводит примеры использования энергоэффективных конструкций: напыляемого пенополиуретана, полимерных мембран и отражающей изоляции.

Особенностью данных конструкции является возможность устройства, без демонтажа старой кровли. Так для мембранных кровель в связи с нулевой водопроницаемостью мембран, что делает их предельно устойчивыми к воздействию воды и льда, возникает возможность обеспечения герметичности кровли при неизменном значении сопротивления теплопередаче.

Использование энергоэффективной отражающей изоляции позволяет произвести локальную защиту конструкций покрытий над ГИИ при одновременном обеспечении парозащиты конструкции.

Автор отдельно подчеркивает, что пенополиуретан возможно использовать только для зданий с лучистой системой отопления, в которых наблюдается образование конденсата на внутренней поверхности кровли вследствие значительного удаления ГИИ от кровли, свыше 15 м, т.е. при охлаждении кровли ниже точки росы.

В третьей главе предложена физико-математическая постановка задачи о нестационарном теплопереносе в однородном фрагменте многослойной конструкции кровли при условии лучисто-конвективного теплообмена с ГИИ.

В работе описывается разработанный теоретико-экспериментальный метод, позволяющий в зависимости от интенсивности лучистого теплообмена определять тепловое состояние кровель, а также находить из решения обратной задачи эффективный коэффициент теплоотдачи на ее внутренней поверхности.

Апробация теоретико-экспериментального метода осуществлялась на следующей физической задаче. Исследовался теплообмен ГИИ с шестислойной кровлей. В качестве условного седьмого слоя в расчетной модели принят уплотненный снежный покров.

Отдельно отмечено, что в разработанном методе не принципиальна конструкция кровли. Для удобства восприятия расчетная конструкция кровли на рисунке 1 расположена вертикально.

И

а

ю

8

Й ч

§ I

о

в $

а,

О

и §

ю

8

а,

е

§ I

О

&

и

К. £

Рис. 1. Схема расчетной конструкции Теплоперенос в плоской конструкции, состоящей из шести однородных фактурных слоев и слоя снежного покрова, описывается в декартовой системе координат следующей математической моделью:

, . 5/, 8 81,

= -г) дх дх ох

1,=о = 1 = 1,7

-хД 1 дх 1=0

7 дх

1'\х- X, ~ 9

к А дх 1= х, дх

0) (2)

(3)

(4)

(5)

В которой: t - температура, °С; т - время, ч или с; х - пространственная координата, направленная по нормали к кровле, м; р - плотность, кг/м3; с -удельная массовая теплоемкость, Дж/(кг-К); Я. - теплопроводность, Вт/(м-К); а - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2-К); X, - координата i - и внутренней границы, м; Х^ - толщина кровли, м. Индексы: g,ins и g,e - внутренний и наружный воздух; 0 и w - внутренняя и наружная поверхности кровли; i -номер слоя материала. Начало декартовой системы координат расположено на внутренней поверхности кровли. Теплофизические характеристики материалов, такие как: Я, р, с, в общем случае зависят от температуры, влажности и структуры.

Уравнения теплопроводности (1) замыкаются начальными условиями (2) и граничными условиями (3)-(6). На внутренней и наружной поверхности кровли используются граничные условия третьего рода (условия Ньютона-Рихмана) (3), (4); на внутренних границах слоев - условия четвертого рода (условия «сшивки») (5), (6).

По мнению автора, решение прямой задачи, согласно математической модели (1)-(6), позволяет найти распределение температуры по толщине многослойной кровли в любой момент времени, а также плотности тепловых потоков на внутренней и наружной поверхностях кровли.

Для численного решения задачи используется итерационно-интерполяционный метод (ИИМ), зарекомендовавший себя при решении разнообразных прямых и обратных задач механики реагирующих сред и, в частности, при решении одно, -двух и -трехмерных задач строительной теплофизики. Суть алгоритма ИИМ заключается в использовании метода последовательных приближений на каждом элементарном отрезке разностной сетки, соответствующей области определения исследуемой краевой задачи. Точность приближенного решения достигается уменьшением шага разностной сетки и увеличением числа итераций на каждом временном слое.

При задании теплофизических свойств материалов слоев и граничных условий введены некоторые допущения. В частности, в работе использована осредненная эмпирическая толщина снежного покрова, полученная в одном и том же временном диапазоне, что и температура внутренней поверхности кровли. Поскольку на сегодняшний день нет ясных представлений о происходящих теплофизических процессах в снеге, в численных расчетах принято допущение о независимости теплофизических свойств снежного покрова от температуры.

Ввиду аномального свойства «белого» снега - отражательная способность тела близка к модели абсолютно «черного тела» - теплопередачей излучением на наружной поверхности покрытия автор пренебрегает, то есть предполагает что, теплообмен чисто конвективный.

Циклическое изменение температуры наружного воздуха описано следующей зависимостью:

tge=tg0 + A,ecos[2n(x-8x)/T]_ ^

Циклическое задание температуры (7) связано, прежде всего, с решением вопроса теплоустойчивости конструкций. При этом, значению Ate = О соответствует среднемесячная температура наружного воздуха.

На рисунках 2-5 представлены результаты численных расчетов по предлагаемому автором теоретико-экспериментальному методу в динамике по времени.

Для численного решения задачи была использована программа на языке программирования Фортран для ПЭВМ, реализующая ИИМ, в связи с тем, что модульный принцип программы позволяет быстро адаптировать ее под любое количество слоев кровли и учитывать, при необходимости, зависимость теплофизических характеристик материалов слоев от температуры, влажности и структуры.

На рисунке 2 показаны зависимости плотностей тепловых потоков от времени на внутренней q0(o и наружной qw(t) поверхности кровли.

При выходе на стационарный режим теплопереноса плотности тепловых потоков через внутреннюю и наружную поверхности совпадают, что является одним из доказательств достоверности численных результатов.

Рис. 2. Плотность теплового потока от времени на внутренней и наружной

qw(t) поверхностях кровли

Зависимость температуры от времени в различных сечениях кровли по толщине представлена на рисунке 3.

I 'С

20100-10-20-30-40-50

Рис. 3. Зависимость температуры от времени: на внутренней поверхности кровли (кривая 1), на внутренних границах слоев (2-6) и на наружной поверхности (7); кривая 8 - температура наружного воздуха

При выходе процесса теплопереноса на стационарный режим температурные кривые в этих сечениях выходят на асимптоты.

Решение задачи в нестационарной постановке позволило оценить время выхода процесса теплопереноса на стационарный режим.

На рисунке 4 показано распределение температуры по толщине кровли в различные моменты времени. Анализ рисунка 4 показал, что при выходе процесса теплопереноса на стационарный режим численное решение задачи совпадает с известным аналитическим стационарным решением. Данный результат также свидетельствует о достоверности полученного численного решения.

1—1—1—■—I—|—1—'—I—'—I—■—I—'—I—■

0 60 100 150 200 250 300 350 т. Ч

и °с

20-

-30-

-10-

-20-

10-

0-

-40-

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 х. М

Рис. 4. Распределение температуры по толщине кровли в различные моменты времени т, ч: 1 - 0; 2 - 1; 3 - 60; 4 - 336. Кривая 5 - аналитическое

Автор, обладая информацией о процессе нестационарного теплопереноса через плоский фрагмент многослойной конструкции кровли, полученной на основании численного решения задачи, и используя экспериментально измеренную температуру на внутренней поверхности кровли, переходит к решению граничной обратной задачи по определению эффективного коэффициента теплоотдачи (аэф) на внутренней поверхности кровли.

Данный эффективный коэффициент учитывает конвективную (ак) и лучистую (ал) составляющие теплообмена и является сложной многопараметрической функцией, зависящей от физического состояния и температуры внутренней поверхности кровли, температуры внутреннего воздуха, величины теплового потока, режима течения вблизи внутренней поверхности, а также особенностей лучистого отопления.

По мнению автора, аналитическое определение коэффициента теплоотдачи на внутренней поверхности кровли при лучистой системе отопления на сегодняшний день затруднительно, поэтому в работе принято решение его нахождения из решения обратной задачи с привлечением данных

стационарное решение

теплотехнических измерений. Таким образом, реализована возможность оценить долю теплового потока, переданного от ГИИ в верхнюю зону помещения.

Решение поставленной обратной задачи осуществляется следующим образом. Расчетным путем из решения прямой задачи определяется зависимость стационарной температуры внутренней поверхности (t0,st) от эффективного коэффициента теплоотдачи на этой поверхности (аЭф). Затем экспериментально в конкретной точке внутренней поверхности определяется стационарная температура и из полученного графика находится коэффициент теплоотдачи. Пример графической зависимости, полученной для выше указанных исходных данных, представлен на рисунке 5.

При этом, по аналогии с аЭф, температура на внутренней поверхности кровли также является результирующей температурой, зависящей от радиационной температуры кровли (tR) и внутренней температуры воздуха (tins) над ГИИ.

8;5 18,8 28.8 38.8

ааф, Вт((м-С;

Рис. 5. Стационарная температура на внутренней поверхности в зависимости от эффективного коэффициента теплоотдачи аэф на этой поверхности

Сравнение данных результатов с результатами, полученными по стандартным методикам, показывает их удовлетворительное согласование, что

свидетельствует о работоспособности предлагаемого автором теоретико-экспериментального метода.

Четвертая глава отражает подтверждение теоретических результатов исследований. Автором представлены наиболее характерные результаты экспериментальных исследований, описан новый разработанный комплексный метод проведения теплотехнического тепловизионного измерения влияния ГИИ на теплозащитные свойства покрытий.

В данном методе определяется совокупность параметров, образующих граничные условия (температуры внутреннего и наружного воздуха, температуры над ГИИ, интенсивность излучения над ГИИ, влажность и подвижность воздуха, температуры поверхностей) с учетом нестационарности теплового режима. При этом производится сравнение облученных участков ограждающих конструкций с аналогичными необлученными участками при тех же условиях, оценка достоверности (точности) получаемых результатов.

Отличительной особенностью комплексного метода является то, что в процессе измерений на обследуемой поверхности покрытия (над ГИИ) производится выбор характерных геометрических (реперных) точек. С помощью пирометра определяются температуры в выбранных точках (реперные значения), далее - измерение поля температур тепловизором. При этом реперные значения являются критерием достоверности тепловизионного измерения и служат ориентиром при анализе термограмм.

Для качественной и количественной оценки температурных полей использовано компьютерное программное обеспечение.

На рисунке 6 представлены графики распределения температур вдоль заданных линий на поверхности кровли над ГИИ.

Максимально полученное значение температуры на внутренней поверхности кровли составило 110 °С.

Анализ температур поверхности кровли над работающими излучателями указал на перегрев поверхности кровли над ГИИ за счет теплового излучения и конвективных потоков. Что, в свою очередь, приводит к значительным потерям

17

тепловой энергии, возникновению температурных деформаций кровли, нагреву наружной поверхности кровли.

Рис. 6. Распределение температур над ГИИ. 1л 1-6 - условные линии для

При нагреве наружной поверхности кровли наблюдается образование , влаги на наружном слое гидроизоляционного ковра вследствие таяния снежного покрова. Образовавшаяся влага проникает через нарушенные I соединения гидроизоляционного слоя в фактурные слоя, нарушая тем самым I целостность работы покрытия. Следствием является проникновение влаги в производственное здание.

На рисунке 7 показано таяние снежного ковра вследствие нагрева кровли.

определения температуры поверхности

Рис. 7. Таяние снежного покрова

Для детального изучения характера распределения температур воздуха и кровли над светлыми и темными ГИИ на базе предприятия «Сибшванк» автором была смонтирована экспериментальная установка, позволяющая фиксировать значения температур воздуха над ГИИ по высоте (вертикально) и по всей площади корпуса излучателя (горизонтально).

Результатом выполненных измерений является построение характерных диаграмм распределения температур над корпусом ГИИ в горизонтальной плоскости (рисунок 8) и распределения температур по высоте над ГИИ в вертикальной плоскости (рисунок 9) для разного типа излучателей производства «Сибшванк», «Мегашванк», «Schwank» и «GoGaz».

10 15 20

№ датчика температуры

25

30

Рис. 8. Распределение температур воздуха по горизонтали над корпусом ГИИ-40 на расстоянии 50 мм

Знание распределения температур воздуха над корпусом ГИИ позволило определить зону теплового влияния ГИИ. Данная зона распространяется до 4-х метров от корпуса ГИИ.

Рис. 9. Распределение температур воздуха по вертикали над корпусом наклонно расположенного ГИИ-40. Расстояние между датчиками температур - 50 мм

В пятой главе условия разрушения конструкции кровли определены натурными исследованиями существующей кровли производственного здания «Сибгазаппарат», г. Тюмень.

После определения причин разрушения кровли был выполнен сравнительный ремонт части кровли на основании разработанных рекомендаций.

Результаты численных и натурных исследований автора позволили рекомендовать к использованию полимерные мембраны.

В связи с нулевой водопроницаемостью мембран, реализована возможность оставить существующую конструкцию кровли с учетом устройства мембранного слоя, что привело к значительному снижению капиталовложений.

Результатом выполненного ремонта явилось обеспечение герметичности кровли при неизменном значении сопротивления теплопередаче.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработан и опробован теоретико-экспериментальный метод, позволяющий в зависимости от интенсивности лучистого теплообмена определять тепловое состояние кровли, а также находить из решения обратной задачи эффективный коэффициент теплоотдачи на ее внутренней поверхности.

2. Разработан новый комплексный метод проведения теплотехнического тепловизионного измерения влияния ГИИ на теплозащитные свойства покрытий.

3. Разработаны и реализованы рекомендации по выбору вида и типа покрытия производственного здания при радиационной системе отопления.

4. При разработке проектной документации на строительство или реконструкцию покрытий производственных зданий и сооружений необходимо учитывать тип системы отопления данных объектов.

5. Кроме решения вопросов о создании оптимальных условий микроклимата в рабочей зоне и экономии топливно-энергетических ресурсов

при использовании газовых инфракрасных излучателей, необходимо уделять внимание сложному процессу лучисто-конвективного теплообмена с многослойной конструкцией кровли.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Давлятчин, P.P. Лучистое отопление и теплоизолирующие свойства покрытий промышленных зданий / P.P. Давлятчин, Н.И. Куриленко // Сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы строительства, экологии и энергосбережения в условиях западной Сибири». - Тюмень, 2008. - с. 149-152.

2. Давлятчин, P.P. Комплексный метод исследования энергоэффективности производственных зданий / P.P. Давлятчин, Н.И. Куриленко, Л.Ю. Михайлова, Л.Н. Гуревич // Строительный вестник Тюменской области. - Тюмень, 2009. - № 1. - с. 67-69.

3. Давлятчин, P.P. Методы определения лучистых характеристик газовых инфракрасных излучателей / P.P. Давлятчин, Н.И. Куриленко // Сборник материалов конференции «VIII научная конференции молодых ученых, аспирантов и соискателей ТюмГАСУ. - Тюмень, 2009. - с. 67-69.

4. Давлятчин, P.P. Лучисто-конвективный теплообмен газовых инфракрасных излучателей с многослойной конструкцией кровли / P.P. Давлятчин, Н.И. Куриленко // Приволжский научный журнал. - Нижний Новгород, 2009. - № 2. - с. 74-78.*

5. Давлятчин, P.P. Аспекты радиационного отопления / Сборник докладов третьей Международной научно-технической конференции «Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции». — Москва, 2009. - с. 153-157.

6. Давлятчин, P.P. Повышение энергоэффективности производственных

зданий использующих лучистую систему отопления / P.P. Давлятчин, Н.И.

22

Куриленко, Л.Ю. Михайлова // Сборник трудов Международной научно-технической конференции студентов, магистрантов, аспирантов «Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов». — Тольятти, 2009. - с. 236-239.

*- статья опубликована в издании, включенном в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Изд. лицензия № 02884 от 26.09.2000. Подписано в печать 06.11.2009. Формат 60x90/ 16. Печать цифровая. Гарнитура Тайме. Усл. печ. л. 1,43. Тираж 100 экз. Заказ № 178.

РИО ТюмГАСУ, 625001, г. Тюмень, ул. Луначарского, 2

АННОТАЦИЯ.

СОДЕРЖАНИЕ.

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СОКРАЩЕНИЙ, ИНДЕКСОВ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

ГЛАВА 2. ТЕПЛОЗАЩИТНЫЕ СВОЙСТВА ПОКРЫТИЙ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ЗДАНИЙ.

2.1. ТЕПЛОВЛАЖНОСТНЫЙ РЕЖИМ ПОКРЫТИЙ.

2.2. ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТЕПЛОВЛАГОЗАЩИТНЫХ ТРЕБОВАНИЙ.

ГЛАВА 3. НЕСТАЦИОНАРНЫЙ ТЕПЛООБМЕН ГАЗОВЫХ ИНФРАКРАСНЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ С МНОГОСЛОЙНОЙ

КОНСТРУКЦИЕЙ КРОВЛИ.

3.1. ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ НЕСТАЦИОНАРНОГО ОДНОМЕРНОГО ТЕПЛОПЕРЕНОСА В ОДНОРОДНОМ ФРАГМЕНТЕ МНОГОСЛОЙНОЙ КОНСТРУКЦИИ

КРОВЛИ.

3.2 ЧИСЛЕННОЕ РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ ТЕПЛОПЕРЕНОСА ИТЕРАЦИОННО-ИНТЕРПОЛЯЦИОННЫМ МЕТОДОМ.

3.3. ЛУЧИСТО-КОНВЕКТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕН.

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМ

ЛУЧИСТОГО ОТОПЛЕНИЯ.;.

ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КРОВЕЛЬ.

Актуальность работы. Активная техническая политика теплоэнергоресурсосбережения, начавшаяся в начале 90-х годов, послужила причиной масштабного внедрения радиационной системы отопления [1]. Так, для отопления корпусов одноэтажных промышленных предприятий больших объемов повсеместно производилась замена конвективной системы отопления на лучистую (радиационную), с использованием газовых инфракрасных излучателей (ГИИ).

В свою очередь, ограждающие конструкции эксплуатируемых промышленных зданий, рассчитанные с учетом традиционных конвективных систем отопления, оставались без изменения.

В настоящее время, по различным оценкам специалистов, износ кровельного ковра промышленных предприятий приблизился к критическому уровню. Это обусловлено, прежде всего, работой кровли в широком диапазоне температур, не исключая значений температур ниже точки росы и значений, превышающих максимально допустимые температуры.

Проблема теплоэнергоресурсосбережения при отоплении производственных зданий не может быть решена исключительно за счет экономии энергетических ресурсов при использовании радиационной системы отопления без учета влияния систем лучистого отопления на теплотехнические свойства покрытий.

Кроме решения вопросов о создании оптимальных условий микроклимата в рабочей зоне и экономии топливно-энергетических ресурсов при использовании газовых инфракрасных излучателей, необходимо уделять внимание отдельным аспектам лучистого отопления, в частности, сложному процессу лучисто-конвективного-теплообмена с многослойной конструкцией кровли.

Цель работы: создание рекомендаций эксплуатирующим организациям при внедрении лучистой системы отопления, а также проектным организациям при проектировании вновь строящихся зданий с лучистой системой отопления по устройству или реконструкции существующих конструкций кровель, оптимальному размещению ГИИ по высоте с учетом излучения в верхнюю зону, выбору конструкции и единичной мощности ГИИ.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

• разработать физико-математическую модель процесса нестационарного теплопереноса через многослойную конструкцию кровли при условии лучисто-конвективного теплообмена с ГИИ и численно показать ее состоятельность;

• получить эмпирические зависимости, позволяющие определить влияние лучистого отопления на теплозащитные свойства покрытий, при помощи экспериментальных исследований тепловлажностного состояния кровли и теплообмена газовых инфракрасных излучателей с многослойной конструкцией кровли производственных зданий.

Научная новизна диссертационной работы:

• впервые изучено влияние тепловой радиации ГИИ на теплотехнические свойства покрытий производственных зданий;

• для исследования влияния систем лучистого отопления на многослойные конструкции кровель разработан и опробован теоретико-экспериментальный метод, позволяющий в зависимости от интенсивности лучистого теплообмена определять тепловое состояние кровель, а также находить из решения обратной задачи эффективный коэффициент теплоотдачи на ее внутренней поверхности;

• разработан новый комплексный метод проведения теплотехнического тепловизионного измерения влияния ГИИ на теплозащитные свойства покрытий;

• разработаны рекомендации по выбору вида и типа покрытия производственного здания при радиационной системе отопления.

Практическая значимость работы заключается в эффективном внедрении результатов теоретико-экспериментальных исследований.

Реализация результатов работы: на основании теоретико-экспериментальных исследований обоснована необходимость реконструкции и реконструированы существующие кровли ряда производственных зданий; отдельные положения диссертации включены в курс лекций по строительной теплофизики.

На защиту выносятся:

• физико-математическая модель, описывающая процесс нестационарного теплопереноса через многослойную конструкцию кровли при условии лучисто-конвективного теплообмена с ГИИ;

• методика экспериментальных исследований по определению эмпирических зависимостей, отражающих влияние лучистого отопления на теплозащитные свойства покрытий;

• рекомендации по устройству и реконструкции кровель производственных зданий и сооружений, отапливаемых радиационной системой отопления.

Результаты исследований, включенные в диссертацию, базируются на аналитической теории теплопроводности, математической физике, математическом моделировании, метрологии и метрологическом эксперименте, на результатах научно-исследовательских работ.

Достоверность результатов подтверждается обоснованием принятых допущений при проведении теоретических и экспериментальных исследований и обеспечена:

• использованием современных методов проведения экспериментальных исследований на основе поверенного сертифицированного измерительного оборудования;

• сравнением результатов, полученных численными и экспериментальными методами;

• сопоставлением полученных результатов с результатами других исследователей.

Апробация работы в виде докладов проходила на следующих конференциях: Всероссийская научно-практическая конференция «Актуальные проблемы строительства, экологии и энергосбережения в условиях Западной Сибири», г. Тюмень, 2008 г.; научная конференция молодых ученых, аспирантов и соискателей ТюмГАСУ, 2008 г., 2009 г.; Ill Международная научно-техническая конференция «Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции», г. Москва, 2009 г.

В приложении представлены программа расчета теплового состояния многослойной конструкции кровли на языке Фортран, а также документы, подтверждающие внедрение полученных результатов в практику.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработан и опробован теоретико-экспериментальный метод, позволяющий в зависимости от интенсивности лучистого теплообмена определять тепловое состояние кровли, а также находить из решения обратной задачи эффективный коэффициент теплоотдачи на ее внутренней поверхности.

2. Разработан новый комплексный метод проведения теплотехнического тепловизионного измерения влияния ГИИ на теплозащитные свойства покрытий.

3. Разработаны и реализованы рекомендации по выбору вида и типа покрытия производственного здания при радиационной системе отопления.

4. При разработке проектной документации на строительство или реконструкцию покрытий производственных зданий и сооружений необходимо учитывать тип системы отопления данных объектов.

5. Кроме решения вопросов о создании оптимальных условий микроклимата в рабочей зоне и экономии топливно-энергетических ресурсов при использовании газовых инфракрасных излучателей, необходимо уделять внимание отдельным аспектам лучистого отопления, в частности, сложному процессу лучисто-конвективного теплообмена с многослойной конструкцией кровли.

1. Мачкаши, А. Лучистое отопление / А. Мачкаши, Л. Банхиди; под ред. В.Н. Богословского, Л.М. Махова. М.: Стройиздат, 1985. - 464 с.

2. Маслов В.В. Патент RU2200808. Способ отопления помещения. Москва, 2001.

3. Козлов, И.В. Научно-техническая конференция «Строительная физика в XXI веке» / И.В. Козлов // «Строительные материалы». М.: 2006. с. -75.

4. Блох, А.Г. Основы теплообмена излучением / А.Г. Блох. — М.: Госэнергоиздат, 1967, —331 с.

5. Сперроу, Э.М. Теплообмен излучением / Э.М. Сперроу, Р.Д. Сесс. — М.: Энергия, 1971. 282 с.

6. Родин, А.К. Газовое лучистое отопление / А.К. Родин. — Л.: Недра, 1987.- 191 с.

7. Кутателадзе, С.С. Основы теории теплообмена / С.С. Кутателадзе. — М.: Атомиздат, 1979. 415 с.

8. Брюханов, О.Н. Радиационно-конвективный теплообмен при сжигании газа в перфорированных системах / О.Н. Брюханов. — Л.: ЛГУ, 1977. -238 с.

9. Исаченко, В.П. Теплопередача / В.П. Исаченко, В.А. Осипова, А.С. Сукомел. 3-е изд. перераб. и доп. - М.: Энергия, 1975. - 488 с.

10. Михайлова, Л.Ю. Разработка методики расчета радиационного отопления зданий производственного назначения: диссертация канд. техн. наук / Л.Ю. Михайлова. — Тюмень: ТюмГАСА, 2004. 113 с.

11. Зиганшин, Б.М. Снижение энергетических затрат в системах отопления производственных объектов радиационными трубами: диссертация канд. техн. наук / Б.М. Зиганшин. Казань: КазГАСУ, 2006. - 163 с.

12. Патент RU2084762 Горелка инфракрасного излучения. Жебрак Ю.А.1994.

13. Патент RU2172453 Излучатель тепловой энергии. Зяблов В.А., Атаров М.Н., Капралов О.В. г. Королев. 1999.

14. Патент RU2127849 Радиационная горелка Барыбин Н.Ф. Красильников Е.Ю., Мягков К.Г., Якушин М.И. Москва. 1997.

15. Богомолов, А.И. Газовые горелки инфракрасного излучения и их применение / А.И. Богомолов. — М.: Издат. лит. по стр-ву, 1967. — 255 с.

16. Брюханов, О.Н. Радиационный газовый нагрев / О.Н. Брюханов, Е.В. Крейнин, Б.С. Мастрюков. Д.: Недра, 1989. - 296 с.

17. Юренева, В.Н. Теплотехнический справочник / В.Н. Юренева, П.Д. Лебедева. Т.2. - М.: Энергия, 1975. - 744 с.

18. Эстеркин, Р.И. Теплотехнические измерения при сжигании газового и жидкого топлива / Р.И. Эстеркин, А.С. Иссерлин, М.И. Певзнер. — Д.: Недра,1981.-424 с.

19. Григорьева, В.А. Тепло и массообмен теплотехнический эксперимент: справочник / В.А. Григорьева, В.М. Зорина. — М.: Энергоиздат,1982.-512 с.

20. Геращенко, О.Н. Тепловые и температурные измерения: справ, руководство / О.Н. Геращенко, В.Г. Федоров. Киев.: Наукова Думка, 1965. -304 с.

21. Осипова, В.А. Экспериментальное исследование процессов теплообмена / В.А. Осипова. М.: Энергия, 1979 - 319 с.

22. Абрамова, Е.В. Комплексный тепловизионный контроль фактических теплотехнических показателей зданий. / Е.В. Абрамова, О.Н. Буданин // Строительные материалы. — 2004. №7. - с. 10-13.

23. Лездин, Д.Ю. Практика применения тепловизионного контроля в строительстве / Д.Ю. Лездин // АВОК. 2005. - №7. - с. 64-66.,

24. Шиванов, В.В. Обеспечение теплового режима производственных помещений системами газового лучистого отопления: диссертация канд. техн. Наук / В.В. Шиванов. Нижний Новгород: ННГАСУ, 2007. - 135 с.

25. Рекомендации по применению систем обогрева с газовыми инфракрасными излучателями. — М., 2006. 10 с.

26. Патент RU2225925 Покрытие Зельманович Я.И., Могилевский В.Д., Герцен В.Ф.

27. Ильинский, В.М. Строительная теплофизика / В.М. Ильинский. М.: Высш. шк., 1974. - 320 с.

28. Шпайдель, К. Диффузия и конденсация водяного пара в ограждающих конструкциях / К. Шпайдель. М.: Стройиздат, 1980. - 48 с.

29. Жолобов, A.J1. Формирование конкурентоспособных многокритериально оптимизированных технологических решений по ремонту многослойных кровель зданий: автореферат диссертации докт. техн. наук / A.JI. Жолобов. Ростов Н/Д - 2007. - 38 с.

30. Фокин, К.Ф. Строительная теплотехника ограждающих частей зданий / К.Ф. Фокин; под ред. Ю.А. Табунщикова, В.Г. Гагарина. 5-е изд., пересмотр. - М.: АВОК-ПРЕСС, 2006. - 256 с.

31. Гришин, A.M. Итерационно-интерполяционный метод и его приложения / A.M. Гришин, В.И. Зинченко, К.Н. Ефимов, А.Н. Субботин, А.С. Якимов. — Томск: Изд-во Том. ун-та, 2004. — 318 с.

32. Гришин, A.M. Решение некоторых обратных задач механики реагирующих сред / A.M. Гришин, В.И. Зинченко, А.Я. Кузин, С.П. Синицын, В.Н. Трутников. Томск: : Изд-во Том. ун-та, 2006. — 418 с.

33. Хуторной, А.Н. Теплозащитные свойства неоднородных наружных стен зданий / А.Н. Хуторной, Н.А. Цветков, А.Я. Кузин. — Томск: Изд-во Том. гос. архит.-строит. ун-та, 2006. 287 с.

34. Кузьмин, П.П. Процесс таяния снежного покрова / П.П. Кузьмин. -JL: Гидрометеоиздат, 1961. — 346 с.

35. Богословский, В.Н. Строительная теплофизика / В.Н. Богословский.- М.: Высшая школа, 1970. — 376 с.

36. Эккерт, Э.Р. Теория тепло- и массообмена / Э.Р. Эккерт, P.M. Дрейк.- J1.: Госэнергоиздат, 1961. — 680 с.