автореферат диссертации по строительству, 05.23.03, диссертация на тему:Воздушный режим в вентилируемых прослойках теплоизоляционных навесных фасадных систем и его влияние на изменение теплозащиты, обусловленное эмиссией волокон из минераловатного утеплителя

На правах рукописи ^

Лушин Кирилл Игоревич

ВОЗДУШНЫЙ РЕЖИМ В ВЕНТИЛИРУЕМЫХ ПРОСЛОЙКАХ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ НАВЕСНЫХ ФАСАДНЫХ СИСТЕМ И ЕГО ВЛИЯНИЕ НА ИЗМЕНЕНИЕ ТЕПЛОЗАЩИТЫ, ОБУСЛОВЛЕННОЕ ЭМИССИЕЙ ВОЛОКОН ИЗ МИНЕРАЛОВАТНОГО УТЕПЛИТЕЛЯ

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

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2013 г.

005546871

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

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Гагарин Владимир Геннадьевич

Официальные оппоненты:

Ведущее предприятие:

Кочев Алексей Геннадьевич

доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет", заведующий кафедрой «Теплогазоснабжение»

Гвоздков Александр Николаевич

кандидат технических наук, доцент, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Волгоградский государственный архитектурно-

строительный университет", доцент кафедры «Теплогазоснабжение и вентиляция»

Центральный научно-исследовательский институт строительных конструкций (ЦНИИСК) имени В. А. Кучеренко - ОАО «Научно-исследовательский центр «Строительство». г. Москва

Защита диссертации состоится «27» декабря 2013 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.138.10, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» по адресу: 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д.26, Зал Ученого Совета.

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

Автореферат разослан «25» ноября 2013 года

Ученый секретарь диссертационного совета

Е.С. Гогина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. В последние десятилетия в отечественном строительстве в качестве ограждающих конструкций жилых и общественных зданий применяются стены с навесными фасадными системами (НФС) с вентилируемой воздушной прослойкой, которые способны обеспечить требуемый современными нормами уровень теплозащиты зданий. В России НФС известны давно, однако ранее они применялись в зданиях с мокрым или влажным режимами. С начала 1990-х годов их начали применять для многоэтажных зданий с нормальным режимом эксплуатации. К настоящему времени накоплен значительный опыт практического применения НФС. Выполнены исследования их теплофизических свойств. Установлено, что скорость воздушного потока в вентилируемой прослойке НФС влияет на теплопередачу и интенсивность влагопереноса, она сложным образом зависит от внутренних параметров прослойки. Движение воздуха в прослойке вызывает эмиссию волокон из минеральной ваты. Для предохранения минераловатного утеплителя в воздушной прослойке применяют ветрозащитные мембраны. Однако применение этих мембран обладает отрицательными свойствами: они препятствуют выходу влаги из утеплителя, большинство мембран являются горючими. Поэтому актуальным является вопрос о возможности устройства НФС без ветрозащитных мембран. Одним из главных препятствий для такого конструктивного решения является эмиссия волокон из минераловатного утеплителя в НФС без ветрозащитной мембраны. Эмиссия волокон в значительной степени определяется воздушным режимом в вентилируемой прослойке, в то же время она зависит и от свойств минераловатного утеплителя. Эмиссия волокон, накопленная в течение многих лет, может привести к существенному снижению сопротивления теплопередаче стены с НФС. В свою очередь это приведет к увеличению нагрузки на систему отопления здания. Таким образом, разработка методов прогнозирования возможной эмиссии волокон из минераловатного утеплителя и ее влияния на теплозащитные свойства НФС без ветрозащитной мембраны являются актуальными.

Цели и задачи работы. Цель диссертации - Определение влияния воздушного режима в вентилируемых прослойках теплоизоляционных навесных фасадных систем на изменение теплозащиты обусловленное эмиссией волокон из минераловатного утеплителя.

Исходя из поставленной цели, были решены следующие задачи:

- выполнить математическое моделирование и разработать методы расчета воздушно-теплового режима воздушной прослойки НФС в условиях естественной вентиляции;

- выполнить математическое моделирование эмиссии волокон из минераловатного утеплителя вследствие их отрыва при турбулентных пульсациях в обтекающем потоке воздуха;

- провести экспериментальные исследования параметров минерало-ватного утеплителя, позволяющих прогнозировать эмиссию волокон при воздействии воздушного режима в прослойке;

- разработать методику расчета снижения теплозащиты НФС вследствие эмиссии волокон под воздействием воздушного режима в вентилируемой прослойке и выполнить расчеты для исследованных материалов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- на основе математической модели воздушно - теплового режима вентилируемой прослойки разработан инженерный метод совместного расчета температуры и скорости движения воздуха при естественной вентиляции;

- получен метод определения максимальной скорости движения воздуха в вентилируемой прослойке НФС с учетом воздействия интенсивности солнечной радиации в годовом цикле эксплуатации;

- на основе математической модели турбулентной пульсации потока воздуха в вентилируемой прослойке НФС получено уравнение эмиссии волокон из минераловатного утеплителя, введено понятие коэффициента эмиссии волокон и предложен экспериментальный метод его определения;

- на основании уравнения эмиссии волокон предложена методика расчета изменения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций с НФС при многолетней эксплуатации.

Практическая значимость работы:

- разработана методика расчета воздушно-теплового режима в вентилируемой прослойке НФС, которая может применяться при проектировании НФС;

- разработана методика прогнозирования сохранности и определения изменения теплозащитных свойств НФС при многолетней эксплуатации с учетом эмиссии волокон, которая может использоваться при расчетах сопротивления теплопередаче конструкций, для определения нагрузки на систему отопления здания;

- предложен критерий необходимости использования ветрозащитной мембраны по условию ограничения эмиссии волокон из минераловатного утеплителя.

Достоверность полученных результатов. В диссертации используются обоснованные экспериментальные методики исследований с применением поверенных приборов и общепринятые научные подходы к математическому моделированию движения газовых сред, а также обоснованные методы решения соответствующих уравнений.

Внедрение результатов работы.

Основные результаты работы использованы при испытаниях мине-раловатных плит для применения в НФС с вентилируемой прослойкой для ряда зданий в Москве и других городах России. Результаты диссертации использованы при выполнении работы по теме 2011-5.2-552-002-084

«Обеспечение центром коллективного пользования научным оборудованием МГСУ комплексных исследований в области энергоэффективности зданий и сооружений» и при выполнении работ по договору № К. 387 - 13 от 18.06.2013 по теме «Определение эмиссии волокон теплоизоляционных плит из каменной ваты BASWOOL ВЕНТ ФАСАД 80, BASWOOL ВЕНТ ФАСАД 90 производства ООО «Агидель»». Ряд результатов работы получен при финансовой поддержке гранта РФФИ проект 13-08-90468 «Сопряженные задачи внешней и внутренней аэродинамики и теплофизики энергоэффективных зданий».

Апробация работы и публикации. Основные положения работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях:

Третья и четвертая международные научно-технические конференции "Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции", Москва, МГСУ, 2009 и 2011 гг.; 8th International Conference on Environmental Engineering, MAY 19-20, 2011 Vilnius, LITHUANIA; XI Международная научная конференция. Качество внутреннего воздуха и окружающей среды. 23 марта - 5 апреля 2013 г., Ханой, Вьетнам.

По теме диссертации опубликовано 7 работ, из которых 5 статей - в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (120 наименований), 19 рисунков и 11 таблиц. Общий объем диссертации - 102 страницы.

Автор выражает признательность к.т.н. Рымарову А.Г., к.т.н. Козлову В.В., к.ф.-м.н. Гувернюку С.В. за консультации и содействие при постановке ряда задач исследования.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Приводятся обоснование актуальности работы, определенны цель и задачи исследований, перечислены основные научные и практические результаты, приведено краткое содержание диссертации по главам.

Первая глава содержит обзор современного состояния вопроса исследований теплофизических и аэродинамических свойств навесных фасадных систем (НФС).

Теплофизические свойства ограждающих конструкций зданий с вентилируемой воздушной прослойкой, в том числе воздушный режим в прослойке, исследовались в работах В.Д. Мачинского, К.Ф. Фокина, В.Н. Богословского, Ю.А. Табунщикова, Н.Н. Щербака, В.И. Лукьянова, А.Ф. Хо-мутова, В.Г. Гагарина, В.В. Козлова, К. Sedlbauer, Н.М. Kunzel и др. В данных исследованиях учитывалось гравитационное движение воздуха в прослойке при облицовке без зазоров. При расчетах учитывался лучистый и конвективный теплообмен в прослойке, местные аэродинамические сопротивления и ряд других параметров фасадов. Расчет с учетом влияния зазоров в облицовке на гравитационное движение воздуха в прослойке вы-

полнен в работах В.В. Козлова (аналитическое решение) и A.A. Синявина (численное решение). Эти исследования показали, что учет влияния зазоров не приводит к увеличению скорости движения воздуха в прослойке, рассчитанной без учета зазоров. Моделирование воздушного режима в прослойке НФС выполнялось для отопительного сезона и без учета влияния солнечной радиации. На воздушный режим в вентилируемой прослойке оказывает влияние ветровое воздействие. Это влияние исследовалось в работах А.Ф. Хомутова, H.H. Щербака, В.В. Козлова, C.B. Гувернюка, П.В. Леденева, К. Gertis, Н.М. Künzel, К. Sedlbauer и др. Однако воздействие ветра носит случайный не систематический характер. Продольная фильтрация воздуха в утеплителе НФС при движении воздуха в прослойке исследовалась в работах В.В. Козлова, A.B. Садчикова, П.В. Леденева. Другие последствия воздействия воздушного режима в прослойке на свойства утеплителя не исследовались.

В связи с применением в конструкциях НФС ветрозащитных мембран возник вопрос о целесообразности их использования, поскольку оно обладает рядом недостатков. Основными аргументами за применение мембран являлись продольная фильтрация в утеплителе и возможная эмиссия волокон. Первые исследования воздействия движения воздуха в прослойке на долговечность минераловатного утеплителя при отсутствии ветрозащитных мембран были проведены в НИИСФ РААСН под руководством В.Г. Гагарина и в НИИ механики МГУ под руководством C.B. Гувернюка. Однако, эти исследования не привели к обобщению результатов и к расчетам суммарного эффекта от этого явления. Для изучения влияния воздушного режима в прослойке на эмиссию волокон из утеплителя необходимо учитывать максимально возможные систематически воздействующие скорости движения воздуха, в том числе и в теплый период года, с учетом влияния солнечной радиации.

Выполненный обзор позволил сформулировать цель и задачи диссертации.

Во второй главе приводятся результаты исследований воздушного режима вентилируемой прослойки НФС.

Разработана математическая модель движения воздуха в вентилируемой прослойке НФС. При этом в качестве основы был принят метод составления теплового баланса для элементарного слоя воздуха в прослойке. Впервые метод был применен В.Д. Мачинским в 30-х годах, затем он последовательно применялся другими исследователями. Введено усовершенствование упомянутой модели путем учета прямой и рассеянной солнечной радиации, воздействующей на облицовку фасада (рис.1). Уравнение теплового баланса для элементарного слоя воздуха в прослойке имеет вид:

t -t t -tya

о-канстр о.обл

где г,,,, - температуры воздуха в вентилируемой прослойке НФС, °С; с„ -удельная теплоемкость воздуха, Дж/(кг-°С); с1 - ширина воздушной прослойки, м; ув - плотность воздуха, кг/м3; V - скорость движения воздуха в прослойке, м/с; 1е,— температуры внутреннего воздуха, °С; - условная температура наружного воздуха, с учетом солнечной радиации, попадающей на стену, °С; Л0К0НС1р, Лообл - сопротивления теплопередаче частей конструкции от внутреннего воздуха помещения до воздушной прослойки и от воздушной прослойки до наружного воздуха соответственно, м2 °С/Вт; Ах — толщина расчетного слоя в вентилируемой прослойке, м.

Преобразование уравнения (1) при х->0 приводит к дифференциальному уравнению:

г -— I = 1

0 сЬ ""

Стена Утеплитель

хк

1м] |

И/— гН

Г и

гК 1

Мг1 * А :

Кронштейн Облицовка

(2)

Рис. 1. Схема стены с НФС с вентилируемой воздушной прослойкой. Параметры уравнения (2) определяются из выражений:

П р * V I *усл ТУ-

о.констр о. обл _ в констр н обл

К 4-К

констр 01

св ■ V • с[ ■ ув

п п

о.констр о.обл

(3)

Параметр /0 - численно равен температуре воздуха в прослойке при отсутствии вентиляции в ней. Условная температура наружной среды с учетом солнечной радиации определяется из равенства:

= '„ +

4-Рс

(4)

Решение уравнения (2) с начальным условием = ги имеет вид:

= (5)

где гн - температура наружного воздуха, °С; ос,, - коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждения, Вт/(м2 °С); рс - коэффициент поглоще-

ния солнечной радиации, доли ед.; 1С - интенсивность солнечной радиации (прямой и рассеянной) на поверхность заданной ориентации, Вт/м".

Изменение температуры воздуха в прослойке по высоте, описываемое (5), зависит от теплофизических свойств конструкции стены и облицовки, геометрических размеров прослойки и скорости движения воздуха в прослойке. Вид этой зависимости при различных значениях скорости представлен на рис. 2.

Уравнение (5) позволило получить среднюю по высоте температуру воздуха в прослойке:

ь

1-

(6)

где Ь- высота фасада, м.

Известно уравнение, связывающее скорость движения воздуха и среднюю температуру воздуха в прослойке:

(7)

где ££ сумма местных гидравлических сопротивлений; ¡ср - средняя температура воздуха по высоте вентилируемой прослойки НФС, "С.

Высота фасада с воздушной прослойкой, м 6 8 10 12 14

0

-27,10

-27.20

-27,30

О

0 -27.50 -27.60

й.

1 -27.70 -27,80

-27,90

-28,00

Рис. 2. Распределение температуры воздуха по высоте при различных скоростях движения воздуха в прослойке НФС. (Пример для фасада высотой 20 м с толщиной прослойки 0,06 м).

На основании совместного решения уравнений (6) и (7) получена формула для непосредственного расчета скорости движения воздуха в прослойке. Такое решение возможно, если пренебречь в правой части (6) ве-

личинои е 0, которая в практических задачах составляет малую величину (менее 0,1), не оказывающую существенного влияния на конечный результат. Приближенная формула для расчета скорости движения воздуха в прослойке имеет вид:

0,0016-(<„-О2Л2 0,08■/.,•(<„-О 0.04 ■(/„-/„)■*„

1А,

(8)

кп — -

1

/? /?

о.констр о.обл

Для более точного расчета использована методика совместного решения уравнений (6) и (7). Методика заключается в итерационном расчете величины /ср по (6) при произвольно взятом значении у, а, затем, величины V по (7) с полученным значением ?ср, затем опять расчет гср , но с полученным значении V и т.д. Процесс такого итерационного расчета сходится, т.к. величина гср убывает при возрастании у, а величина V - возрастает при возрастании При таком расчете используются ряд уравнений, связывающих теплофизические и геометрические параметры НФС, коэффициенты теплообмена в прослойке, температуры наружного и внутреннего воздуха и воздуха в прослойке. Часть этих величин также находятся в процессе расчета. Такой расчет позволяет провести анализ воздушного режима в прослойке. Данный анализ используется в случаях, когда необходимо знать минимально возможные скорости в прослойке, например при прогнозировании влажностного режима НФС.

Сравнение результатов расчетов по приближенной формуле (8) и по более точной итерационной методике для различных месяцев года приведено на рис. 3.

Уравнения (7) и (6) позволяют также определить максимально возможную скорость движения воздуха в прослойке, утах, зависящую от теп-лофизических свойств конструкции, температуры воздуха и солнечной радиации. Из (7) следует, что утах будет достигнута при максимальном значении (?ср - ?н), которое определяется из (6):

/ \

= 1 _ з.. 1-е

ь

\ - У

■('о-О.

(9)

Расчет по приближенной формуле

X" : 12

Рис. 3. Рассчитанные скорости движения воздуха в прослойке НФС итерационным методом и по приближенной формуле.

Исследование (9) на максимальное значение позволило доказать, что

оно достигается при и равно:

(',„-¿„1 = Ит

Х °Р " \rnwi х„ .,

с I \

■у Х0 1 — е~х°

ь

V

('о-0=('о-0.

Подстановка (10) в (7), а затем выражения для /0 из (3) дает:

15,

К А- К

констр ос

С учетом того, что Л"о6я много больше ^К0Нстр из (11) следует:

0,08 ■ I

2Х

0,08 I

о.-и-

(10)

(11)

(12)

где Монстр, ^обл - коэффициенты теплопередачи частей конструкции от внутреннего воздуха помещения до воздушной прослойки и от воздушной прослойки до наружного воздуха соответственно, Вт/м2 °С.

Уравнение (12) позволяет выявить то значительное влияние, которое оказывает солнечная радиация при формировании скорости движения воздуха в прослойке в теплый период года. В то же время, в отопительный сезон, при небольшой интенсивности солнечной радиации, скорость движения воздуха определяется разницей температуры внутреннего и наружного воздуха и соотношением коэффициентов теплопередачи конструкции стены с утеплителем и облицовки НФС. Пример изменения в течение года скорости движения воздуха в прослойке НФС приведен на рис. 4.

Максимальное значение скорости движения воздуха в прослойке будет наблюдаться при максимальном за год значении разности температуры

воздуха и при одновременно максимальном за год значении солнечной радиации (кривая 3 на рис.4).

1,20

ш

в е 0,80-----------

1,00

о

" 0,00

2

3 4

5

6

7

8

9

10 11 12

Месяц

Рис. 4. Рассчитанные среднемесячные скорости движения воздуха в прослойке НФС без учета влияния солнечной радиации и с учетом влияния. 1- без учета солнечной радиации; 2-е учетом солнечной радиации; 3 - максимально возможная скорость движения воздуха в прослойке НФС.

Полученные по описанной методике значения утах используются в дальнейшем при оценке возможной эмиссии минераловатного утеплителя с последующим расчетом уменьшения его толщины и сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции.

Разработанные методы расчета позволяют анализировать влияние конструктивных особенностей НФС на воздушный режим прослойки. На рис. 5 в качестве примера приведены результаты расчетов скорости движения воздуха в прослойке при различной ширине прослойки.

Результаты расчетов скорости движения воздуха в прослойке НФС были сравнены с экспериментальными данными различных исследователей, полученных, как в нашей стране, так и за рубежом. Эти данные совпадают по порядку величин. Более полного совпадения нельзя ожидать из-за множества случайных факторов, влияющих на результаты эксперимента. Важно отметить, что, по данным экспериментальных исследований, влияние ветра не вызывает заметного повышения скорости движения воздуха в прослойке по сравнению с гравитационным, что подтверждает правильность принятых исходных положений.

Разработанные методы расчета воздушного режима вентилируемой прослойки НФС позволяют использовать получаемые результаты при проектировании НФС и при оценке воздействия на утеплители, применяемые

в НФС.

Рис.5. Рассчитанные среднемесячные значения скорости движения воздуха в прослойке НФС при различных ее толщинах.

В третьей главе приведена математическая модель эмиссии волокон с поверхности минераловатной плиты в вентилируемой прослойке. Выполнен вывод уравнения и коэффициента эмиссии волокон.

Под эмиссией волокон имеется ввиду отрыв волокон минераловатно-го утеплителя и вынос их в окружающее пространство потоком воздуха в воздушной прослойке вентилируемого фасада. Такой отрыв волокон может происходить вследствие разрушения связующего в утеплителе, а также вследствие усталостных явлений, возникающих в волокнах утеплителя при их колебаниях под воздействием нестационарного потока воздуха в воздушной прослойке.

Математическая модель эмиссии волокон отражает следующие процессы в поверхностном слое материала. При движении воздуха вдоль поверхности минеральной ваты на приповерхностные волокна действует аэродинамическая сила, вызывающая напряжения растяжения в сечении волокна и касательные напряжения в капельках связующего, которое закрепляет волокно в материале. Эти напряжения пропорциональны средней силе аэродинамического воздействия. В случае, когда целостность связующего нарушена, остается сила сцепления волокон в материале. Сила сцепления волокон в материале пропорциональна упругой силе контакта переплетенных волокон в слое материала и коэффициентам трения (сухого и вязкого).

Аэродинамическая сила содержит квазистационарную (среднюю) и пульсационную составляющие. Средняя составляющая аэродинамической

силы пропорциональна некоторой степени средней скорости потока и. Пульсационная составляющая - связана с хаотическими турбулентными пульсациями, которые всегда присутствуют в потоке воздуха около шероховатой поверхности. Основной характеристикой турбулентных пульсаций скорости потока является их интенсивность, I, м/с, которая определяется выражением:

(13)

где к - энергия турбулентных пульсаций в единице объема, Дж/м3; р - плотность воздуха, кг/м3.

Частота турбулентных пульсаций изменяется в широком диапазоне спектра. Это может вызывать резонансные явления в упруго сцепленных волокнах, заставляя их вибрировать, что должно снижать средний коэффициент сухого трения. В целом, сила сцепления (сдвиговая прочность) в приповерхностном слое материала в условиях динамического воздействия турбулентных пульсаций должна быть значительно ниже, чем при статическом нагружении. В то же время, чем меньше силы сцепления волокон в материале, тем больше их эмиссия. Кроме того, под действием вибраций в волокнах материала и в связующем могут накапливаться усталостные повреждения, снижающие силу сцепления волокон. Суммарный вклад перечисленных эффектов пропорционален интенсивности пульсаций аэродинамической силы.

На основании этих положений сформулирована математическая модель процесса эмиссии волокон. Плотность потока эмиссии волокон материала описывается уравнением:

1Лп=КВс1_К, (14)

A dz F,

где А - площадь образца, обдуваемая потоком воздуха, м2; рм~ плотность исследуемого материала, кг/м3; Fa - средняя сила аэродинамического воздействия воздуха на приповерхностные волокна, Н; F/ - средняя сила сцепления волокон в материале, Н; I - интенсивность турбулентных пульсаций, м/с; К — безразмерный параметр подобия, определяемый геометрическими, механическими и физическими свойствами структуры материала и параметров окружающей среды.

Средняя сила аэродинамического воздействия воздуха на приповерхностные волокна может быть выражена формулой:

Fa=0,5-p-ul ■ S-1 Сх, (15)

где «о = u(ho), и - скорость потока воздуха в пограничном слое, м/с; § -средняя толщина, I - средняя длина волокон в материале, м; С* - безразмерный коэффициент аэродинамического сопротивления.

Аэродинамический коэффициент Сх в (15) изменяется при 0,1 <Re <20 более чем в 10 раз и его можно аппроксимировать эмпирической степенной зависимостью (по данным Г.Шлихтинга):

С,=12,8Де-°65 (16)

Преобразования выражения (14) приводят к уравнению эмиссии волокон:

J Adz ХРм U/J где X - коэффициент эмиссии волокон, м/с, равный:

где h0- толщина активного слоя, в котором происходит взаимодействие волокон с воздушным потоком, м; h - характерная толщина пограничного слоя, м; к =0,4 - постоянная Кармана (безразмерная); п =3 +7 - характеристика наполненности профиля турбулентного пограничного слоя; U - скорость потока воздуха вне пограничного слоя, м/с; Rej - номинальное число Рейнольдса, вычисленное по скорости £/,=1 м/с.

Для уравнения (17) легко виден физический смысл, заключающейся в том, что поток эмиссии волокон пропорционален скорости набегающего воздуха в степени 2,35. Расчет значения коэффициента эмиссии волокон аналитическим путем следует признать невозможным, однако его возможно определить экспериментальным путем, а так же изучить влияние на него различных факторов.

Уравнение (17) позволяет выполнить расчет суммарной эмиссии волокон с поверхности утеплителя за срок службы НФС, А Т (обычно AT =50 лет). Данный расчет может проводиться двумя способами: оценкой максимальной эмиссии за год при максимально достижимой за год скорости движения воздуха в прослойке, определенной по формулам (11) или (12), и суммированием эмиссии волокон при среднемесячных значениях скорости движения воздуха в прослойке, определенных по формуле (8) или итерационным методом, изложенным во второй главе.

В первом случае оценка суммарной эмиссии волокон с одного квадратного метра утеплителя за А Т лет выполняется по формуле:

(ДМ^=дг = Д7'-Г365-24.3600>Х-рм^^ . (19)

Во втором случае суммарная эмиссия волокон с одного квадратного метра утеплителя Д^|2=дг за АТ лет рассчитывается по формуле:

\ 2,35

(дмХ,4Г = дг • (24 • 3 600;

и,

(20)

где zi - продолжительность месяца в сутках.

Формулы (19) и (20) позволяют рассчитать изменение сопротивления

теплопередаче ограждения, АЯа, вследствие изменения толщины слоя минеральной ваты по формуле:

где X - расчетная теплопроводность минеральной ваты, Вт/(м °С).

Предложено критерием допустимой эмиссии волокон за срок службы НФС, исходя из допустимого снижения сопротивления теплопередаче конструкции за срок эксплуатации, принимать повышение на 5% коэффициента теплопередачи стены с НФС. Данный критерий выбран из принимаемого при проектировании системы отопления запаса на авторегулирование. Повышение на 5% коэффициента теплопередачи примерно соответствует снижению на 5% сопротивления теплопередаче по глади ограждающей конструкции. Т.е. при значении этого сопротивления равном примерно 4 м2 °С/Вт, допустимое значение его снижения составляет Д- 0,2 м2 °С/Вт.

Таким образом, результатом математического моделирования процесса эмиссии волокон является уравнение (17), которое можно использовать для расчетов снижения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций с НФС и учитывать его при проектировании системы отопления. Введенную характеристику материала - коэффициент эмиссии волокон следует определять экспериментально. Этот коэффициент характеризует способность материала к эмиссии волокон в потоке воздуха.

В четвертой главе описаны экспериментальные исследования эмиссии волокон с поверхности минераловатных плит и методы прогнозирования изменения теплозащитных свойств ограждающих конструкций с НФС, обусловленные эмиссией волокон.

Сущность использованного метода экспериментального определения эмиссии волокон заключается в следующем. Образцы исследуемого материала искусственно состариваются. Затем испытуемые образцы помещаются в установку, где над их поверхностью формируется воздушный поток с заданной скоростью. Путем периодического взвешивания испытуемых образцов определяется изменение их массы. Изменение массы образцов корректируется на колебание влажности воздуха в помещении, в котором проводится эксперимент. Полученная потеря массы испытуемых образцов обусловлена эмиссией волокон с их поверхности.

Разработанная экспериментальная установка представляет собой закрытый короб, в который укладываются образцы (рис. 6). На торцевой грани короба предусмотрена щель для захода воздуха из помещения, в которую вмонтирован конфузор для равномерного распределения воздушной струи над поверхностью образцов. На противоположном торце установлен вытяжной вентилятор, способный длительно поддерживать скорость потока в рабочей части установки до 25 м/с. Всасываемый из помещения воздух проходит через конфузор, движется вдоль поверхности образцов и выходит через фильтр (рис. 7). В экспериментах использовались образцы плит минеральной ваты размером 250x250 и толщиной 50-100 мм.

Состаривание образцов проводилось двумя способами: циклическим замораживанием-оттаиванием и пропаривением при повышенном давлении. При состаривании образцов путем замораживания-оттаивания, образцы увлажнялись до влажности 10-20 % по массе, а затем запаковывались в полиэтиленовые пакеты. Далее образцы периодически помещались в морозильную камеру, где замораживались в течение не менее 12 часов. После каждой заморозки образцы несколько часов оттаивали в комнатных условиях. Такой процесс повторялся 100 циклов.

Рис.6. Образцы минераловатных плит в экспериментальной установке

Рис.7. Работающая установка для испытания эмиссии волокон

Эксперимент по воздействию воздушного потока на образцы продолжался от 40 суток и более. Продолжительность эксперимента определялась достижением заметной прогрессирующей эмиссии волокон. Взвешивание образцов проводилось 1 раз в одну - две недели. По результатам испытаний составлялась таблица, содержащая измеренное изменение массы образцов от времени.

Обработка измерений проводилась следующим образом.

Для каждого образца строилась зависимость абсолютного изменения массы от времени (пример рис.8). Полученная зависимость аппроксимировалась уравнением линейной регрессии. Коэффициент уравнения линейной регрессии, г, является коэффициентом наклона построенного графика к оси времени. Этот коэффициент представляет собой среднее значение скорости эмиссии волокон (убыли массы) образца:

(23)

Дг

где Ат - общая убыль массы, кг (или г); Аг - продолжительность эксперимента, с (или сут.); г - средняя скорость эмиссии волокон (убыли массы) образцов, кг/с (или г/сут).

Формула для расчета коэффициента эмиссии волокон получена из уравнений (17) и (23):

Х =

Л-Ра

(24)

0,00

I -2,00 I 5

! £■ -3,00

! аоо

-5,00

Рис. 8. Абсолютное изменение массы образцов минеральной ваты ПП-60 производства ЗАО СПП «Термостэпс» в процессе испытаний

Получающиеся значения х позволяют применить разработанные методы прогнозирования снижения эксплуатационных свойств минераловаг-ного утеплителя в НФС вследствие эмиссии волокон.

Рассмотрено экспериментальное определение коэффициента эмиссии волокон и расчет изменения сопротивления теплопередаче НФС для марок минеральной ваты производства ЗАО СПП «Термостэпс». По приведенным на рис. 8 зависимостям изменения массы от продолжительности испытаний образцов минеральной ваты марки ПП-60 определены значения величин г и % для образцов, а затем рассчитаны величины ДМ| по формуле (19) и Ай0 по формуле (21), При максимальной скорости движения воздуха в прослойке НФС, определенной по формуле (12) и равной для рассматриваемого примера 1,1 м/с. Для всех испытанных марок минеральной ваты в таблице приведены рассчитанные значения коэффициентов эмиссии волокон и величины снижения сопротивления теплопередаче.

Табл. Результаты определения параметров эмиссии волокон исследованных образцов минеральной ваты производства ЗАО СПП «Термостэпс» и оценка изменения _сопротивления теплопередаче НФС с минераловатными плитами данных марок

Марка Плотность, р, кг/м3 № образца Средняя скорость эмиссии волокон, г, 10"8 кт/с (г/сут.). Ф-ла (19) Коэффициент ЭМИССИЙ волокон, х, 10"11 м/с. Ф-ла (20) Суммарная эмиссия волокон за 50 лет, AMjt, кг/м2. Ф-ла (21) Оценка изменения сопротивления теплопередаче НФС, (м2 °С)/Вт. Ф-ла (23)

ПЖ-80 80,9 1 1,12 (0,0403) 0,534 0,852 0,23

2 0,82 (0,0294) 0,391 0,624 0,17

ПП-60 50,7 1 2,43 (0,0876) 1,849 1,849 0,81

2 1,34 (0,0482) 1,020 1,020 0,45

ПМ-50 41,7 1 0,72 (0,0259) 0,666 0,548 0,29

2 0,64 (0,0230) 0,592 0,487 0,26

ПМ-35 38,3 1 1,36(0,0491) 1,370 1,035 0,60

2 1,05 (0,0378) 1,058 0,799 0,46

Таким образом, в исследованных случаях минераловатные плиты марок ПП-60 и ПМ-35, ПМ-50 обладают высокой эмиссией волокон и по предложенному критерию они не могут применяться в качестве утеплителя НФС ограждающей конструкции, т.к. их применение может вызвать существенное снижение сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции. Такое снижение сопротивления теплопередаче приведет к существенному повышению расчетной нагрузки на систему отопления здания. Эти минераловатные плиты можно применять в НФС только совместно с ветрозащитной мембраной. Минераловатные плиты марки ПЖ-80 могут применяться в качестве утеплителя НФС без ветрозащитной мембраны.

Подобные испытания следует проводить для всех видов минерало-ватных плит, предназначенных для использования в ограждающих конструкциях с НФС.

Основные выводы.

1. Выполненное комплексное исследование воздушного режима и эмиссии волокон из минераловатного утеплителя в вентилируемой прослойке позволяет оценить возможности ухудшения эксплуатационных свойств навесных фасадных систем в случае отказа от использования ветрозащитных мембран.

2. Усовершенствован метод расчета воздушного режима в прослойке навесных фасадных систем. Метод позволил рассчитывать воздушный режим в прослойке, как в холодный, так и в теплый сезоны года при учете солнечной радиации. Показано, что учет солнечной радиации повысил достоверность расчетов. Приведены примеры применения разработанного метода для расчета и оценки скорости движения воздуха в прослойке НФС.

3. Разработанный метод оценки максимальной скорости движения воздуха в вентилируемой прослойке позволил показать, что максимальная скорость достигается при максимальном значении разности температуры внутреннего и наружного воздуха и, одновременно, при максимальной интенсивности солнечной радиации.

4. Разработана теория эмиссии волокон, основанная на аэродинамическом воздействии потока воздуха, проходящего над поверхностью минераловатного утеплителя. На основании математической модели получено уравнение эмиссии волокон из минераловатного утеплителя. Эмиссия волокон из материала количественно характеризуется коэффициентом эмиссии волокон. Полученные выражения позволили установить, что поток эмиссии волокон описывается степенной зависимостью от скорости.

5. Разработана экспериментальная установка и создана методика определения коэффициента эмиссии волокон из минераловатных изделий при их обдуве потоком воздуха. Проведены исследования для минеральной ваты четырех марок и определены коэффициенты эмиссии волокон из них.

6. Предложены методы расчета потери эксплуатационных свойств минеральной ваты в НФС вследствие эмиссии волокон. В качестве параметров предложены суммарная потеря массы утеплителя за срок эксплуатации и снижение сопротивления теплопередаче слоя утеплителя в НФС. Предложены уравнения для расчета этих параметров. Приведены расчеты этих параметров для четырех марок утеплителей. В качестве критерия допустимости снижения сопротивления теплопередаче предложено использовать принимаемый в практике проектирования систем отопления запас на авторегулирование равный 5%. Показано, что в некоторых случаях возможная потеря эксплуатационных свойств утеплителем может потребовать установки ветрозащитной мембраны.

7. Проведенный комплекс экспериментальных и теоретических исследований позволил сформулировать комплексную расчетно-экспериментальную методику обеспечения теплозащитных свойств мине-раловатного утеплителя в НФС по критерию эмиссии волокон.

Основные положения диссертации отражены в следующих публикациях:

1. Самарин О.Д., Лушин К.И. Энергетический баланс жилых зданий и его экспериментальные исследования. // Вестник МГСУ. 2009. №2. С. 423 -430.

2. Гагарин В.Г., Козлов В.В., Лушин К.И., Пастушков П.П. О применении ветрогидрозащитных мембран в навесных фасадных системах с вентилируемой воздушной прослойкой. // Научно-технический вестник Поволжья. 2012, №5, С. 128-131.

3. Гагарин В.Г., Козлов В.В., Лушин К.И., Пастушков П.П. К вопросу о применении ветрогидрозащитных мембран в навесных фасадных системах с вентилируемой воздушной прослойкой. // Научно-технический вестник Поволжья. 2013. № 3. С. 120 - 122.

4. Гагарин В.Г., Гувернюк C.B., Лушин К.И. Моделирование эмиссии волокон из минераловатного утеплителя навесной фасадной системы с вентилируемой прослойкой. // Промышленное и гражданское строительство. 2013. №9. С.27-29.

5. Гагарин В.Г., Козлов В.В., Лушин К.И. Скорость движения воздуха в прослойке навесной фасадной системы, при естественной вентиляции. // Жилищное строительство. 2013. №10. С. 14-17.

Кроме того, по теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Samarin О., Lushin К., Paulauskaité S., Valancius К. Infuence of outside climate parameters on the selection of the optimum combination of the energy saving measures. // Technological and economic development of economy. Baltic Journal on Sustainability. №15(3) 2009, p. 480-489

2. Гагарин В.Г., Гувернюк C.B., Лушин К.И. Определение эмиссии волокон из минераловатного утеплителя навесной фасадной системы с вен-

тилируемой прослойкой. // В кн. Качество внутреннего воздуха и окружающей среды. Материалы XI международной научной конференции 23 марта - 5 апреля 2013 г. Ханой, стр.278-283.

Условные обозначения.

НФС - навесная фасадная система;

А — площадь образца, обдуваемая потоком воздуха, м2;

св=]005 Дж/(кг-°С) - удельная теплоемкость воздуха;

Сх - безразмерный коэффициент аэродинамического сопротивления;

d- ширина воздушной прослойки, м.

Fa - средняя сила аэродинамического воздействия воздуха на приповерхностные волокна, Н;

Ff - средняя сила сцепления волокон в материале, Н;

ho - толщина активного слоя, в котором происходит взаимодействие волокон с воздушным потоком, м;

h - характерная толщина пограничного слоя, м; I- интенсивность турбулентных пульсаций, м/с;

/„ - интенсивность солнечной радиации (прямой и рассеянной) на поверхность заданной ориентации, Вт/м2;

i - средняя скорость эмиссии волокон, кг/с (г/с); j - плотность потока эмиссии волокон материала, кг/(м2 с);

К - безразмерный параметр подобия, определяемый геометрическими, механическими и физическими свойствами структуры материала и параметров окружающей среды; ■Кковлр. А'обл - коэффициенты теплопередачи частей конструкции от внутреннего воздуха помещения до воздушной прослойки и от воздушной прослойки до наружного воздуха соответственно, Вт/м2оС;

к- энергия турбулентных пульсаций в единице объема, Дж/м3; I - средняя длина волокон в материале, м;

ДМ|г_д7. - суммарная эмиссия волокон с одного квадратного метра утеплителя за АТ

лет эксплуатации НФС, кг/м2год; m - масса исследуемого образца, кг;

п =3 +7 - характеристика наполненности профиля турбулентного пограничного слоя; Re¡ - номинальное число Рейнольдса, вычисленное по скорости U¡=1 м/с. ^оконстр' -^ообл ~ сопротивления теплопередаче частей конструкции от внутреннего воздуха помещения до воздушной прослойки и от воздушной прослойки до наружного воздуха соответственно, м2 °С/Вт;

Rafjl mnc,v - сопротивление теплопередаче конструкции от поверхности утеплителя в прослойке до наружного воздуха, м2 °С/Вт.

&терм. конир ~ сопротивление теплопередаче конструкции от внутреннего воздуха помещения до поверхности утеплителя в прослойке, м2 °С/Вт; ta t„ - температуры внутреннего и наружного воздуха соответственно, °С; t„p - температуры воздуха в вентилируемой прослойке НФС, °С; tcp - средняя температура воздуха по высоте вентилируемой прослойки НФС, °С;

íyc" = t + í—í - условная температура наружного воздуха, с учетом солнечной радиа-аи

ции, попадающей на стену, "С;

U- скорость потока воздуха вне пограничного слоя, м/с;

щ = и(Ьо), и - скорость потока воздуха в пограничном слое, м/с; V - скорость движения воздуха в прослойке, м/с;

х - расстояние от входа в воздушную прослойку до рассматриваемой точки м; г - время, с;

а,к - коэффициент конвективной теплоотдачи в прослойке, Вт/(м2 °С), а, - коэффициент лучистой теплоотдачи поверхностей в прослойке, ан - коэффициент теплоотдачи наружной поверхности, Вт/(м2 °С); ув - плотность воздуха, кг/м3;

ДЛ0 - изменение сопротивления теплопередаче материала, (м2 °С)/Вт; Ддг - толщина расчетного слоя в вентилируемой прослойке, м; 5— средняя толщина волокон в материале, м; X - коэффициент эмиссии волокон, м /с к =0,4 - постоянная Кармана (безразмерная);

А. - расчетная теплопроводность минеральной ваты Вт/(м °С); р - плотность воздуха, кг/м3; рм- плотность исследуемого материала, кг/м3; рс - коэффициент поглощения солнечной радиации, доли ед.; сумма местных сопротивлений.

КОПИ-ЦЕНТР св.: 77 007140227 Тираж 100 экз. г. Москва, ул. Енисейская, д. 36. тел.: 8-499-185-79-54, 8-906-787-70-86 wmv.kopirovka.ru

Московский государственный строительный университет

На правах рукописи

\J-tCU \ tJJt-C.t

ЛУШИН Кирилл Игоревич

ВОЗДУШНЫЙ РЕЖИМ В ВЕНТИЛИРУЕМЫХ ПРОСЛОЙКАХ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ НАВЕСНЫХ ФАСАДНЫХ СИСТЕМ И ЕГО ВЛИЯНИЕ НА ИЗМЕНЕНИЕ ТЕПЛОЗАЩИТЫ, ОБУСЛОВЛЕННОЕ ЭМИССИЕЙ ВОЛОКОН ИЗ МИНЕРАЛОВАТНОГО УТЕПЛИТЕЛЯ

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

ДИССЕРТАЦИЯ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

В.Г. Гагарин

Москва-2013 г.

Оглавление.

ВВЕДЕНИЕ 6

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ИССЛЕДОВАНИЯ 12

ТЕПЛОЗАЩИТНЫХ СВОЙСТВ НАВЕСНЫХ ФАСАДНЫХ СИСТЕМ (НФС) С ВЕНТИЛИРУЕМОЙ ВОЗДУШНОЙ ПРОСЛОЙКОЙ

1.1. Роль и значение наружных ограждающих конструкций 12 здания в процессах создания и поддержания параметров внутреннего микроклимата в помещениях здания.

1.2. Влияние технических характеристик наружных огражда- 13 ющих конструкций здания на показатели энергоэффективности при эксплуатации здания.

1.3. Современные технологии устройства наружных огражда- 15 ющих конструкций зданий со слоями эффективного утеплителя.

1.4. Опыт применения навесных фасадных систем. 19

1.4.1. Общие принципы работы навесных фасадных си- 19 стем.

1.4.2. Основные виды навесных фасадных систем с вен- 24 тилируемой прослойкой.

1.5. Применение ветрозащитных мембран в навесных фасад- 25 ных системах с вентилируемой воздушной прослойкой.

1.5.1. Отрицательное влияние ветрозащитных мембран 25 на эксплуатационные свойства навесных фасадных систем.

1.5.2. Положительное влияние ветрозащитных мембран 28 на эксплуатационные свойства навесных фасадных систем.

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНО-В03ДУШНОГО 30

РЕЖИМА В ВЕНТИЛИРУЕМОЙ ПРОСЛОЙКЕ НФС.

2.1. Вывод уравнения изменения температуры по высоте при 30 известной скорости движения воздуха в воздушной прослойке.

2.2. Оценка максимального значения средней скорости движе- 34 ния воздуха в прослойке НФС.

2.3. Совместный расчет температуры и скорости движения воз- 36 духа в воздушной прослойке.

2.4. Инженерный расчет скорости движения воздуха и темпе- 39 ратуры в воздушной прослойке.

2.5. Расчеты параметров температурно-воздушного режима в 41 вентилируемой прослойке НФС.

2.5.1. Исходные данные для расчетов. 41

2.5.2. Сравнение результатов расчета скорости движения 43 воздуха итерационным и инженерным методами.

2.5.3. Результаты расчетов скорости движения воздуха с 43 учетом интенсивности солнечной радиации.

2.5.4. Влияние толщины воздушной прослойки на ско- 45 рость движения воздуха в ней.

2.5.5. Влияние высоты прослойки фасада на скорость 46 движения воздуха в ней.

2.5.6. Расчет распределения температуры по высоте фаса- 48 да при различных скоростях движения воздуха в прослойке НФС.

2.5.7 Данные об измеренных значениях скорости воздуха 49 в вентилируемых прослойках НФС.

Выводы по главе 2 51

3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СНИЖЕНИЯ УРОВНЯ 53 ТЕПЛОЗАЩИТЫ НФС ВСЛЕДСТВИЕ ЭМИССИИ ВОЛОКОН С ПОВЕРХНОСТИ МИНЕР АЛОВАТНОЙ ПЛИТЫ В ВЕНТИЛИРУЕМОЙ ПРОСЛОЙКЕ.

3.1. Исходное уравнение математической модели эмиссии во- 53 локон из минеральной ваты при ее обдуве струей воздуха.

3.2. Вывод уравнения эмиссии волокон из минеральной ваты. 55

3.3. Оценка снижения сопротивления теплопередаче стены с 59 НФС, обусловленного эмиссией волокон из минеральной ваты утеплителя.

Выводы по главе 3 62

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭМИССИИ 63 ВОЛОКОН С ПОВЕРХНОСТИ МИНЕРАЛОВАТНЫХ ПЛИТ В НФС.

4.1. Экспериментальный стенд для определения эмиссии во- 63 локна из утеплителя фасадной системы при воздействии потока воздуха.

4.2. Методика проведения эксперимента по исследованию 70 эмиссии волокон.

4.3. Экспериментальные исследования эмиссии волокон мине- 72 раловатных плит производства ЗАО «СПП «Термостепс».

4.3.1. Образцы и их подготовка к проведению испытаний. 72

4.3.2. Измеренные значения изменения массы образцов 73 вследствие эмиссии волокон.

4.3.3. Расчет скоростей эмиссии волокон из образцов. 75

4.3.4. Расчет коэффициентов эмиссии волокон из образ- 77 цов.

4.3.5. Расчет изменения массы минераловатных плит 78 вследствие эмиссии волокон.

4.3.6. Расчет изменения сопротивления теплопередаче 79 НФС обусловленного эмиссией волокон.

Выводы по главе 4 82

Заключение 83

Библиографический список 85

Приложения 100

ВВЕДЕНИЕ.

В последние десятилетия в отечественном строительстве в качестве ограждающих конструкций жилых и общественных зданий применяются стены с навесными фасадными системами (НФС) с вентилируемой воздушной прослойкой, которые способны обеспечить требуемый современными нормами уровень теплозащиты зданий. В России НФС известны давно, однако ранее они применялись в зданиях с мокрым или влажным режимами. С начала 1990-х годов их начали применять для многоэтажных зданий с нормальным режимом эксплуатации. К настоящему времени накоплен значительный опыт практического применения НФС. Выполнены исследования их тепло физических свойств. Установлено, что скорость воздушного потока в вентилируемой прослойке НФС влияет на теплопередачу и интенсивность влагопереноса. Эта скорость сложным образом зависит от внутренних параметров прослойки. Движение воздуха в прослойке вызывает эмиссию волокон из минеральной ваты. Для предохранения минера-ловатного утеплителя в воздушной прослойке применяют ветрозащитные мембраны. Однако применение этих мембран обладает отрицательными свойствами. Они препятствуют выходу влаги из утеплителя, большинство мембран являются горючими. Поэтому актуальным является вопрос о возможности устройства НФС без ветрозащитных мембран. Одним из главных препятствий для внедрения этого предложения является эмиссия волокон из минераловатного утеплителя в НФС без ветрозащитной мембраны. Эмиссия волокон в значительной степени определяется воздушным режимом в вентилируемой прослойке, в то же время она зависит и от - свойств минераловатного утеплителя. Эмиссия волокон, накопленная в течение многих лет, может привести к существенному снижению сопротивления теплопередаче стены с НФС. В свою очередь это поведет к увеличению нагрузки на систему отопления здания. Таким образом, разработка методов прогнозирования возможной эмиссии волокон из минераловатного утепли-

теля и ее влияния на теплозащитные свойства НФС без ветрозащитной мембраны являются актуальными.

Цель и задачи исследования.

Цель диссертации - Определение влияния воздушного режима в вентилируемых прослойках теплоизоляционных навесных фасадных систем на изменение теплозащиты обусловленное эмиссией волокон из минерало-ватного утеплителя.

Исходя из поставленной цели, решались следующие задачи:

- выполнить математическое моделирование и разработать методы расчета воздушно-теплового режима воздушной прослойки НФС в условиях естественной вентиляции;

- выполнить математическое моделирование эмиссии волокон из ми-нераловатного утеплителя вследствие их отрыва при турбулентной пульсации в обтекающем потоке воздуха;

- провести экспериментальные исследования параметров минерало-ватного утеплителя, позволяющих прогнозировать эмиссию волокон при воздействии воздушного режима в прослойке;

- разработать методику расчета снижения теплозащиты НФС вследствие эмиссии волокон под воздействием воздушного режима в вентилируемой прослойке и выполнить расчеты для исследованных материалов.

Научная новизна.

1) На основе математической модели воздушно - теплового режима вентилируемой прослойки разработан инженерный метод совместного расчета температуры и скорости движения воздуха при естественной вентиляции;

2) Получен метод определения максимальной скорости движения воздуха в вентилируемой прослойке НФС с учетом воздействия интенсивности солнечной радиации в годовом цикле эксплуатации;

3) На основе математической модели турбулентной пульсации потока воздуха в вентилируемой прослойке НФС получено уравнение эмиссии волокон из минераловатного утеплителя, введено понятие коэффициента эмиссии волокон и предложен экспериментальный метод его определения;

4) На основании уравнения эмиссии волокон предложена методика расчета изменения сопротивления теплопередачи ограждающих конструкций с НФС при многолетней эксплуатации.

Практическая значимость работы.

1) Разработана методика расчета воздушно-теплового режима в вентилируемой прослойке НФС, которая может применяться при проектировании НФС;

2) Разработана методика прогнозирования сохранности и определения изменения теплозащитных свойств НФС при многолетней эксплуатации с учетом эмиссии волокон которая может использоваться при расчетах сопротивления теплопередаче конструкций, для определения нагрузки на систему отопления здания;

3) Предложен критерий необходимости использования ветрозащитной мембраны по условию ограничения эмиссии волокон из минераловатного утеплителя.

Достоверность полученных результатов.

В диссертации используются обоснованные экспериментальные методики исследований с применением поверенных приборов и общепринятые научные подходы к математическому моделированию движения газо-

вых сред, а также обоснованные методы решения соответствующих уравнений.

Внедрение результатов работы.

Основные результаты работы использованы при испытаниях мине-раловатных плит для применения в НФС с вентилируемой прослойкой для ряда зданий в Москве и других городах России. Результаты диссертации использованы в ФГБОУ ВПО «МГСУ» при выполнении работы по теме 2011-5.2-552-002-084 «Обеспечение центром коллективного пользования научным оборудованием МГСУ комплексных исследований в области энергоэффективности зданий и сооружений» и при выполнении работ по договору № К. 387 - 13 от 18.06.2013 по теме «Определение эмиссии волокон теплоизоляционных плит из каменной ваты BASWOOL ВЕНТ ФАСАД 80, BASWOOL ВЕНТ ФАСАД 90 производства ООО «Агидель»». Ряд результатов работы получен при финансовой поддержке гранта РФФИ проект 13-08-90468 «Сопряженные задачи внешней и внутренней аэродинамики и теплофизики энергоэффективных зданий».

Апробация работы и публикации.

Основные положения работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях:

1) Третья и четвертая международные научно-технические конференции "Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции", Москва, МГСУ, 2009 и 2011 гг.;

2) 8th International Conference on Environmental Engineering, MAY 19-20, 2011 Vilnius, LITHUANIA;

3) XI Международная научная конференция. Качество внутреннего

воздуха и окружающей среды. 23 марта - 5 апреля 2013 г., Ханой,

Вьетнам;

По теме диссертации опубликовано 7 работ, из которых 5 статей - в журналах, рекомендованных ВАК.

Объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (120 наименований), 19 рисунков и 11 таблиц. Общий объем диссертации — 102 страницы.

Краткое изложение содержания диссертации.

В первой главе диссертации изложено состояние вопроса по применению и эксплуатационным свойствам навесных фасадных систем (НФС) с вентилируемой воздушной прослойкой.

Вторая глава посвящена теоретическим исследованиям воздушного режима вентилируемой прослойки. Выведено и решено дифференциальное уравнение изменения температуры по высоте фасада. На основании полученного решения выведена формула для приближенного вычисления скорости движения воздуха в прослойке. Получено выражение для оценки максимальной скорости движения воздуха в прослойке. Проведены расчеты скоростей воздуха в прослойке при различных конструктивных параметрах НФС.

В третьей главе описана математическая модель эмиссии волокон из слоя минераловатного утеплителя. Выведено уравнение для потока эмиссии волокон из слоя утеплителя, при этом введен новый параметр - коэффициент эмиссии волокон. На основании этого уравнения предложены выражения для расчета суммарной эмиссии волокон из утеплителя и для

оценки снижения сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции с НФС. Предложен критерий для допустимого снижения сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции за срок эксплуатации. Разработанные уравнения позволяют проводить оценку допустимой эмиссии волокон из слоя минераловатного утеплителя НФС по критерию снижения теплозащитных свойств.

В четвертой главе описаны экспериментальные исследования эмиссии волокон из минераловатных плит. Создана установка, на которой проведены экспериментальные исследования для шести марок минераловатных плит. Получены значения скоростей эмиссии волокон, по которым рассчитаны значения коэффициентов эмиссии волокон. Для максимальных значений скорости воздуха в прослойке НФС рассчитаны значения суммарной эмиссии волокон за срок эксплуатации НФС. Проведена оценка снижения сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции и выполнена проверка по введенному критерию допустимого снижения сопротивления теплопередаче. Из четырех марок исследованных минераловатных плит удовлетворили критерию минераловатные плиты только одной марки.

В выводах отмечены основные результаты, полученные при выполнении диссертации.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОЗАЩИТНЫХ СВОЙСТВ НАВЕСНЫХ ФАСАДНЫХ СИСТЕМ С ВЕНТИЛИРУЕМОЙ ВОЗДУШНОЙ ПРОСЛОЙКОЙ (НФС)

1.1. Роль и значение наружных ограждающих конструкций здания в процессах создания и поддержания параметров внутреннего микроклимата в помещениях здания.

Поддержание параметров внутреннего микроклимата эксплуатируемого здания представляет собой задачу, которая носит комплексный характер. В практике наладки и эксплуатации систем теплогазоснабжения и вентиляции (ТГВ) принято отмечать целый ряд показателей качества внутреннего микроклимата помещения: температура внутреннего воздуха помещения, радиационная температура, подвижность воздуха, газовый состав воздуха и целый ряд других [2, 3, 26, 43, 44, 100]. Обеспечение таких показателей, как температура воздуха и радиационная температура помещения являются результатом комплексного сочетания характеристик мощности системы отопления и теплофизических показателей ограждающих конструкций здания [2]. Теплоемкость материалов, применяемых в ограждающих конструкциях, характер чередования слоев в многослойных наружных стенах оказывают влияние на теплоустойчивость помещений здания и величину амплитуды колебания температуры внутреннего воздуха, возникающей в результате негармонических изменений величины и направленности возмущающих воздействий на параметры внутреннего микроклимата со стороны наружного климата и технологических процессов происходящих в помещении. Собственная теплоустойчивость помещения накладывает свои особенности как на конструкцию, так и на характер действия систем отопления и охлаждения помещения. В неавтоматизированных системах отопления с уровнем технических решений, характерным для XIX века, первой половины и середины XX века теплоустойчивость помещения играла первостепенную роль. Одним из основных нормируе-

мых показателей для любого отапливаемого помещения становилась амплитуда колебания температуры внутреннего воздуха. Это обусловлено прежде всего тем, что основным способом регулирования поступления теплоты от систем отопления являлось т.н. отопление пропусками. Такой способ управления отоплением наиболее характерен для печного и парового отопления, а так же для систем водяного отопления с подключением к источнику теплоты промышленного назначения с графиком отпуска теплоты не привязанным по значениям к изменениям параметров наружного климата. Современные системы поддержания и кондиционирования микроклимата (СКМ) независимо от вида используемого теплоносителя оборудуются многоступенчатыми системами пропорционального регулирования с глубиной бесступенчатого регулирования от 100 до 0 % установочной мощности. Одновременно с этим возросли требования как к величине максимальной амплитуды колебаний температуры воздуха в помещении, так и к скорости отрицательной обратной связи между действием СКМ и возмущающими воздействиями со стороны наружного климата и особенностей технологического процесса в здании. Обусловлено это в основном возрастанием требований к параметрам внутреннего микроклимата со стороны технологии сложных современных производств. В основном в фармацевтике, микроэлектронике, текстильной и полиграфической промышленности, а так же в ряде других отраслей. При этом роль теплофизиче-ских характеристик и теплотехнических особенностей наружных ограждающих конструкций зданий с точки зрения теплозащиты и теплоустойчивости в современных условиях значительно возросла [97, 100, 117, 118].

1.2. Влияние технических характеристик наружных ограждающих конструкций здания на показатели энергоэффекти�