Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ современных конструкций наружных стен с вентилируемой воздушной прослойкой 9
1.1. Анализ имеющихся конструктивных решений вентилируемых наружных стен 9
1.2. Перспективные направления совершенствования конструкций вентилируемых наружных стен 20
1.3. Анализ методов теплотехнического расчета наружных стен с вентилируемой воздушной прослойкой 28
1.4. Выводы 33
Глава 2. Разработеса и экспериментальные исследования конструкций наружных стен с организованным воздухообменом 35
2.1. Разработка фрагментов наружных стен с организованным воздухо обменом и методика исследования в лабораторных условиях 35
2.1.1. Опытные фрагменты стен с неутепленным экраном 41
2.1.2. Опытные фрагменты стен с утепленным экраном 44
2.2. Результаты лабораторных исследований 49
2.2.1. Фрагменты стены с неутепленным экраном 49
2.2.2. Фрагменты стены с утепленным экраном 55
2.3. Разработка и методика исследования фрагментов наружных стен
с организованным воздухообменом в натурных условиях 61
2.4. Оценка результатов натурных исследований 69
2.5. Выводы 79
Глава 3. Метод конструктивно-теплотехнического расчета наружных стен с организованным воздухообме ном 82
3.1. Основные положения 82
3.2. Метод конслруїсгивно-теїшотехнического расчета конструкции наружных стен с организованным воздухообменом 90
3.2.1. Температурный режим 90
3.2.2. Тепловая эффективность 93
3.3. Анализ расчетных и экспериментальных данных 95
3.4. Выводы 96
Глава 4. Принципы конструирования и применения энерго эффективных наружных стен с организованным воздухообменом 98
4.1. Конструктивные разработки энергоэффективных наружных стен с организованным воздухообменом 98
4.2. Основные технические решения и практическое применение энергоэффективных наружных стен 102
4.3. Выводы 106
Глава 5. Технико-экономические показатели и экономическая эффективность конструкций наружных стен с организованным воздухообменом 108
5.1. Технико-экономические показатели 108
5.2. Экономическая эффективность конструкции наружных стен с организованным воздухообменом 112
5.3. Выводы 113
Основные выводы и рекомендации 114
Литература
- Перспективные направления совершенствования конструкций вентилируемых наружных стен
- Опытные фрагменты стен с утепленным экраном
- Метод конслруїсгивно-теїшотехнического расчета конструкции наружных стен с организованным воздухообменом
- Основные технические решения и практическое применение энергоэффективных наружных стен
Введение к работе
Актуальность работы
Возрастающее внимание к энергосбережению во всем мире обусловлено экономическими и экологическими причинами. Одно из важных направлений в жилищно-гражданском строительстве - экономия тепла в зданиях в зимние и летние эксплуатационные периоды и обеспечение комфорта в помещениях.
Выполнения этих задач при эксплуатации зданий в зимнее время можно добиться за счет применения современных высокоэффективных материалов с высокими теплотехническими характеристиками или утолщения теплоизоляционного слоя наружной стены. Однако при определенных условиях дальнейшее увеличение толщины теплоизоляционного слоя становится экономически нецелесообразным.
Повышение теплозащиты наружных стен может достигаться также за счет совершенствования их конструктивных решений. Одним из эффективных решений повышения теплозащиты здания является применение наружных ограждающих конструкций с эффектом рекуперации (возвращения) тепла. Этот тепловой эффект целесообразно использовать в наружных стенах с воздушными прослойками, широко применяемых в жилищно-гражданском строительстве.
При некоторых изменениях конструктивных решений наружных стен и обеспечении рациональных режимов движения воздуха в прослойке можно также повысить их теплоустойчивость. Разработка новых типов конструкций наружных стен и связанные с ними решения теплотехнических задач является актуальной проблемой в условиях постоянно растущих цен на топливно-энергетические ресурсы.
Автором выдвинута гипотеза: на основе исследования процессов тепло-и воздухообмена в вентилируемой прослойке при условии рациональной
организации этих процессов можно создать конструкцию наружной стены, обладающую повышенной тепловой эффективностью и теплоустойчивостью, за счет чего будут улучшены круглогодичный тепловой и воздушный режимы в помещении.
Цель диссертации заключается в проведении комплекса исследований по определению тепловой эффективности вентилируемых ограждающих конструкций с организованными тепловыми и воздушными потоками, разработке технических решений, позволяющих регулировать эти процессы, и по созданию на этой основе энергоэффективных наружных стен, обеспечивающих комфортные условия в помещениях.
Для достижения намеченной цели решаются следующие задачи:
- Анализ конструкций наружных стен с вентилируемой воздушной
прослойкой и определение путей их совершенствования.
Разработка и исследование экспериментальных конструкций наружных стен с организованным воздухообменом, определение их теплозащиты и теплоустойчивости.
Разработка метода конструктивно-теплотехнического расчета наружных стен с организованным воздухообменом.
- Выявление принципов конструирования наружных стен с
организованным воздухообменом.
Научная новизна диссертации заключается в следующем:
- Предложены принципы конструирования наружных стен с
организованным аоздухообменом, направленные на сокращение расходов тепла
и повышение теплоустойчивость конструкций.
- Разработаны методы конструктивно-теплотехнического расчета.
- — Определена тепловая эффективность разработанных наружных стен.
- Даны рекомендации по применению энергоэффективных наружных
стен с организованным воздухообменом.
Эти положения выносятся на защиту.
Практическое значение диссертационной работы состоит в том, что применение наружных стен с организованным воздухообменом может сократить расход энергоресурсов на отопление здания до 10% по сравнению с обычными наружными стенами и повысить уровень комфорта в помещении.
Внедрение результатов исследований осуществлено при разработке технического решения для фасадной системы «Полиалпан» («ЦНИИЭП жилища», 2008 г.) и при разработке рекомендаций по улучшению теплозащиты и вентиляции 12-этажного здания гостиницы в г. Актау (Республика Казахстан, 2008 г.).
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены на научно-технической конференции «Строительная физика в XXI веке», НИИСФ РААСН, Москва - 2006 г. и опубликованы в четырех печатных работах.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и рекомендаций, списка литературы и приложений. Общий объем работы 163 страницы, включая 115 страниц машинописного текста, 33 рисунка, 15 таблиц, библиографию из 146 наименований и 31 страницу приложений.
Названия глав:
Анализ современных конструкций наружных стен с вентилируемой воздушной прослойкой.
Разработка и экспериментальные исследования конструкций наружных стен с организованным воздухообменом.
Метод конструктивно-теплотехнического расчета наружных стен с организованным воздухообменом.
Принципы конструирования и применения энергоэффективных наружных стен с организованным воздухообменом.
5. Технико-экономические показатели и экономическая эффективность конструкций наружных стен с организованным воздухообменом.
Перспективные направления совершенствования конструкций вентилируемых наружных стен
Вентилирование помещений через вентилируемые наружные стены с рекуперацией тепла доказали возможность и эффективность такого способа. Принцип его состоит в том, что наружный холодный воздух за счет разности давлений поступает через специальные отверстия в воздухопроницаемый слой конструкций, фильтруясь вдоль него, нагревается тепловым потоком и выходит в верхней части конструкций в помещение. Исследования конструкций вентилируемых наружных стен с использованием эффекта рекуперации тепла были выполнены в лаборатории теплового и воздушного режима зданий, окон и дверей ЦНИИЭП жилища под руководством В. С. Беляева [19, 20], а также в лаборатории НИИСФ под руководством Хлевчука В.Р. [129]. Вентилируемые стеновые панели с рекуперацией тепла выполняются многослойными (рис. 1.5).
Различаются конструктивные схемы способом образования каналов, их конфигурацией и углом наклона. Каналы могут заполняться воздухопроницаемым материалом, например, керамзитом или выполняться в виде рифления в утеплителе, либо в виде сплошных воздушных прослоек. При этом плотность пористого материала или глубина, ширина и частота прослойки (рифления) зависят от количества воздуха, которое по расчету должно поступить в помещение. Поскольку температура фильтрующегося вдоль конструкций воздуха повышается, вентилируемые каналы могут выполняться с наклоном во внутреннюю сторону. Наклон каналов внутрь позволяет снизить аэрационного сопротивления каналов и увеличить температуру проходящего по ним воздуха. В конструкциях наружных стен из листовых материалов может быть использовано двойное и многократное прохождение воздуха.
Конструкции вентилируемых наружных стен могут отличаться расположением воздушной прослойки и термическим сопротивлением наружного и внутреннего слоев.
Ранее выполнялись исследования конструкций вентилируемых наружных бетонных стен, утепленных пенополистиролом со сплошной воздушной прослойкой (рис. 1.6). Их особенностью является то, что термическое сопротивление наружного слоя больше, чем внутреннего [36]. Для фрагмента «а» толщина внутреннего слоя утеплителя составляла 25 мм, наружного слоя - 75 мм. Для фрагмента «б» толщина внутреннего слоя утеплителя составляла 75 мм, наружного слоя — 25 мм.
Наружные и внутренние защитные слои конструкций выполнены из тяжелого бетона (ро = 2260 и 2240 кг/м3), толщиной соответственно 40 и 20 мм. Утеплитель был выполнен из плит пенополистирола марки ПСБ-30 (ро=30 кг/м ).
Принципиальная работа конструкций вентилируемой наружной стены, приведенная выше как рекуператор, следующая: наружный воздух поступает в сплошную воздушную прослойку и, фильтруясь вдоль нее, утилизирует часть уходящего тепла и поступает в помещение более теплым.
Конструкции многослойных вентилируемых наружных стен могут выполняться и без сплошной воздушной прослойки. В этом случае функцию воздухопроницаемого слоя выполняет конструктивный слой в виде рифленого теплоизоляционного материала. Глубина, ширина и частота рифления определяется по расчету в зависимости от необходимого количества воздуха, поступающего в помещение. На рис. 1.7 показана многослойная керамзитобетонная стеновая панель с двумя воздухопроницаемыми слоями, которые выполнены в виде рифленого утепляющего слоя из пенополистирола и разделены перегородками шириной 40- 45 мм. Воздух поступает в нижнюю часть стеновой панели через проемы размером 100x150 мм, далее проходит по вертикальным рифленым каналам через отверстие размером 150x200 мм в помещение.
Конструкция керамзитобетонной стеновой панели с рифленым утеплителем выявила фактического наличие теплового эффекта в натурных зимних условиях эксплуатации, и в сравнении с обычными панелями показало, что теплопотери кухни были меньше на 15,5%, комнат — на 21,5%.
Опытные фрагменты стен с утепленным экраном
Для прохождения воздуха по воздушной прослойке в нижней части экрана были проделаны 5 воздухозаборных отверстий диаметром 17 мм. Имитацию вентиляции в зимних эксплуатационных условиях осуществляли с помощью специальных приточных отверстий в верхней части внутреннего слоя фрагмента Опытные фрагменты с замкнутой прослойкой были испытаны для сравнения с фрагментами наружных стен с организованным воздухообменом (в зимний эксплуатационный режим).
Испытания проводили следующим образом. В проем между холодным и теплым отделениями камеры помещали испытываемую конструкцию (см. рис. 2.1). Зазоры между торцами конструкции и стенками камеры утепляли и герметизировали. Монтировали датчики термометрии, измеряющие температуру и тепловые потоки. Расстановка тепломеров и термопар для разных режимов испытания опытных образцов конструкции была одинакова и представлена на рис. 2.3 и 2.4.
Опытными фрагментами для испытания служили части наружной стены с утепленным экраном на деревянном каркасе (рис. 2.5). Исследуемые фрагменты стены имели размеры 2000x1000x164 мм. Внутренняя и наружная обшивки основания были выполнены из гипсокартонных листов толщиной 12 мм (ГКЛВО -влагостойкие с повышенной сопротивляемостью воздействию открытого пламени, ГОСТ 6266-97). УтеплителемМежду основанием и экраном на относе была выполнена воздушная прослойка толщиной 50 мм. Для создания движения воздуха в прослойке были проделаны в нижней и верхней части зіфана по 8 отверстий диаметром 9 мм. В верхней части внутреннего слоя стены также были проделаны по 8 отверстий того же диаметра. В таблице 2.3 даны физико-технические характеристики фрагментов наружных стен с утепленным экраном. служили минераловатные плиты на основе базальтового волокна «Венти-баттс» плотностью 100 кг/м. Испытания фрагментов проводили в климатической камере НИИСФ. Камера была разделена на теплое и холодное отделения (рис. 2.2а). Между отделениями устанавливались опытные образцы конструкции наружных стен с утепленными экранами.
Порядок проведения теплотехнических испытаний образцов конструкций с утепленными экранами аналогичен порядку испытаний образцов конструкций с неутепленными экранами (см. п.п. 2.1.1).
Расстановка термометрии (тепломер и термопар) на панель с утепленным экраном показана нарис. 2.6.
В климатической камере автоматически задавали температуры: в холодном отделении - минус 30 С, в теплом - плюс 20 С. Для сравнения термических характеристик были проведены испытания на тех же фрагментах, но с замкнутой воздушной прослойкой (рис. 2.6 в).
Помимо замеров температур и тепловых потоков во фрагментах определяли зависимость расхода воздуха (W) от разности давлений (АР).
Обработка результатов исследования опытных образцов конструкций проводили по ГОСТ 26254-84 «Методы определения сопротивления теплопередаче ограждающих конструїщий», а также с использованием «Рекомендаций по проверке и учету воздухопроницаемости наружных ограждающих конструкций жилых зданий».
В процессе исследования фрагментов наружных стен с неутепленными экранами при разных режимах воздухообмена в прослойке определяли термические показатели конструкций. Замеренные в рабочем слое конструкции температуры и тепловые потоки, а также полученные на их основе результаты приведены в табл. 2.4.
На рис. 2.7 представлены изменения температур на поверхности и в толще фрагментов с неутепленными экранами с организованным воздухообменом при отсутствии верхних отверстии экрана при ЛР=0; 10; 14 Па.
Из анализа таблицы 2.4 следует, что при фильтрации воздуха W=6 м ч через фрагмент температура входящего в прослойку воздуха составляла 1 = -30,1 С, температура воздуха в прослойке на уровне приточного отверстия - твых= -13 С. Воздух в прослойке от её нижней части до верхней прогрелся на ДХпр = -13-(-30,1) = 17,1 С. Полный нагрев поступающего в помещение воздуха от входа до выхода из конструкции составил - АТкоН = -13-(-32)=19 С.
Метод конслруїсгивно-теїшотехнического расчета конструкции наружных стен с организованным воздухообменом
Для конструирования наружных стен с организованным воздухообменом разработан метод конструктивно-теплотехнического расчета.
Температура воздуха, входящего в прослойку, может быть определена по формуле, предложенной B.C. Беляевым с учетом установленного автором поправочного коэффициента «т »: = „ + fe 7TT C СЗ-2.1) т-ав\4Б„ +23- Б0) где т — поправочный коэффициент, равный 0,6; ав — коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности, Вт /(м2 с); Ew - безразмерный критерий, характершующий изменение теплозащитных качеств воздухозаборной щели при фильтрации воздуха, равный (о, 28 cw R )/ /: Б0 - критерий, характеризующий тешіозащитньїе качества воздухозаборной щели от внутренней термической границы до искомой точки, равный (F R )/ /„.
На основе обработки экспериментальных данных автором получена формула для определения температуры инфильтрующегося воздуха в воздушной прослойке на уровне приточного отверстия с учетом влияния верхней дополнительной щели экрана: 0,2 е (k+ku) . \ в в П Н І гф 1С.Щ вЫХ V ЗКР Э"Р J Т = -, С, (3.2.2) где к = кв+кн; кв,кн — коэффициенты теплопередачи внутренней и наружной частей ограждающей конструкции до середины воздушной прослойки, Вт/{м2-с); 0,2 - оптимальное расстояние от приточного отверстия до верхней щели экрана, м; htP расстояние (проектное) от приточного отверстия до верхней щели экрана, м; І расстояние от наружной поверхности экрана до середигаы воздушной прослойки на уровне верхней щели, м; п - коэффициент, равный 3,6; l""f - длина пути воздуха в прослойке от уровня нижней щели экрана до уровня приточного отверстия, м; с-удельная теплоемкость воздуха, равная 1 кДж/(кг-С). Термическое сопротивление вентилируемой воздушной прослойки R определяется по известной формуле, м С/Вт: з =i/"„; С3-2-3) где апр - коэффициент теплообмена вентилируемой воздушной прослойки, Вт/См С): ащ=ЪМ Л щ+ал. (3.2.4) гДе КР скорость движеігая воздуха, м I с; ал — коэффициент лучистого теплообмена, Вт/ м С. В предлагаемом конструктивном решении температуру на внутренней поверхности (на углу) приточного отверстия следует определить по формуле: т" = t V Л оти J киснф, С (3.2.5) где Re=\lae, ав - коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающих конструкций для условий холодного периода, Вт/{у2 - с). к""ф - поправочный коэффициент, равный 0,15. RZe приведенное сопротивление теплопередаче приточного отверстия с учетом термического сопротивления воздупшого канала, определяемое по формуле: KL =L К !\ . - С/Вт. (3.2.6) где ав — коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности стен, Вт/ М С.
Коэффициент теплопередачи конструкций наружной стены с организованным воздухообменом к определяется по величине выходящего теплового потока из экрана наружу: k = qebCC/At, Вт/м2-С. (3.2.7) где At - температурный перепад между внутреннего и наружного воздуха, С. Условное сопротивление теплопередаче конструкций наружной стены с организованным воздухообменом (по вьіходящим тепловым потокам) определяется по формуле: Ry0 = (te - tH )l qebTX , м2-СIВт . (3.2.8) гДе Яеък - вьіходящий тепловой поток из экрана конструкций наружной стены с организованным воздухообменом, Вт/м2.
Основные технические решения и практическое применение энергоэффективных наружных стен
В конструкциях наружных стен с организованным воздухообменом выполненных из мелкоппучных строительных материалов (из кирпича и небольших блоков) выполнение сквозных технологических проемов для установки приточных каналов во внутреннем слое - основания стены не вызывает особых трудностей. В железобетонных конструкциях сквозные технологические отверстия могут быть сделаны следующими способами: — с помощью извлекаемой контурной закладной детали соответствующей формы и размера (конусообразной или призматической), имеющей с двух сторон болтовое крепление для фиксации к опалубке. После затвердевания бетона и снятия опалубки закладные детали извлекают; - с помощью неизвлекаемой контурной закладной детали, которая устанавливается и крепится к арматуре до заполнения опалубки бетонной смесью. При подготовке стен к заливке бетона по торцам детали необходимо вставить заглушки; - сверлением при помощи специализированного инструмента
В технологические проемы и отверстия устанавливают вентиляционные короба с клапанами, решетками и фильтрами, а щели задельшают раствором или монтажной пеной.
Конструирование наружных стен с организованным воздухообменом для жилых зданий основывается на современных нормах, требующих 3 м3/ч воздуха на 1м2 жилой площади или 30 м ч на одного человека (комнату). Количество воздуха, необходимого для проветривания помещения через вытяжные каналы кухонь и санузлов, может возрасти от 30 до 150 м ч [105, 109, 152]. Исходя из изложенного выше, определяется необходимая площадь (F) сечение и количество (п) устанавливаемых приточных каналов в простеночной части конструкции стены в зависимости от площади помещения. Необходимая площадь приточного канала определяется по формуле: F = W/3600 (2g упр -ДР)/]Г], где W - количество воздуха, м ч; g - ускорение силы тяжести, м/с2; у - плотность воздуха в прослойке, кг/м3; АР - перепад давления, равный 10 Па; - суммарное сопротивление проходу воздуха.
Конфигурация сечения приточных каналов произвольная и служит для поступления свежего воздуха в помещение в зимнее время. Площадь сечения канала должна быть больше площади сечения воздухозаборной щели, и их сечения рассчитываются в зависимости от расчетного напора воздуха
С внутренней стороны приточных каналов крепят регулируемые клапаны, которые могут перекрывать их полностью или частично, в зависимости от тепловлаяшостного режима и требуемого воздухообмена помещения. Регулировка клапанов осуществляется индивидуально по ощущению комфорта
С увеличением площади помещения или количества приточного воздуха увеличивается и количество устанавливаемого канального воздуховода
Помимо приточного канала, в конструкциях стен, поэтажно, в верхней части экрана рекомендуется установить дополнительные воздуховьтодящие щели. Воздуховьшодящие щели экрана служат для вывода воздухом избытка тепла из прослойки наружу в летнее время, и устанавливаются выше (не менее 200 мм), чем приточный канал.
При открытых приточных клапанах конструкции в зимний эксплуатационный период нагрузка на отопление уменьшается за счет возвращения части трансмиссионного уходящего тепла фильтрующимся воздухом. По мере закрывания регулирующих клапанов количество воздуха, поступающего в помещение, уменьшается, и воздух начинает поступать традиционным путем, через щели в окнах и форточки.