Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса, цель и задачи исследований 13
1.1. Анализ и прогнозирование потребления тепловой энергии на основе динамики ввода объектов жилья в красноярском крае 13
1.2. Развитие нормативно-технической базы и научных направлений исследований в области повышения энергоэффективности зданий 16
1.2.1. Повышение требований к тепловой защите ограждающих конструкций 16
1.2.2. Методы расчета приведенного сопротивления теплопередаче и коэффициента теплотехнической однородности ограждающих конструкций 24
1.3. Применение метода теплового неразрушающего конроля для качесественной и количественной оценки теплотехнического состояния наружных ограждающих конструкьщй зданий 29
1.3.1. История развития и опыт применения метода теплового неразрушающего контроля в технике и строительной практике 29
1.3.2. Специфика проведения качественного и количественного обследования наружных ограждающих конструкций.. 3 4
Глава 2. Методики проведения обследований и анализ результатов 42
2.1. Приборы, оборудование и программные продукты, необходимые для проведения экспериментальных измерений и теоретических расчетов 42
2.1.1. Инфракрасная камера thermacamp20 43
2.1.2. Сопутствующее контрольно-измерительное оборудо-вание 47
2.1.3. Специализированная программа «temper-3d» для расчета трехмерных температурных полей и приведенного сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций... 49
2.2. Методика проведения теоретических теплотехнических расчетов строительных конструкций с использованием программы «temper-3d» 50
2.2.1. Расчет приведенного сопротивления теплопередаче 54
2.3. Методика проведения натурных обследований строительных конструкций зданий 61
2.3.1. Условия проведения тепловизионной съемки 61
2.3.2. Последовательность проведения тепловизионного обследования 63
2.3.3. Обработка результатов измерений. Качественный и количественный анализ 65
Глава 3. Исследование распределения температур по поверхностям ограждающих конструкций зданий и разработка математических моделей изменения коэффициентов вариации для стеновых панелей 75
3.1. Экспериментальная оценка распределения тем пературных полей по ограждающим конструкциям жилых зданий, возводимых на территории г. красно ярска и в его окрестностях 75
3.1.1. Распределение температурных полей по внутренним поверхностям ограждающих конструкций 76
3.1.2. Распределение температурных полей по наружным поверхностям ограждающих конструкций 84
3.2. Факторы, влияющие на распределение темпера турных полей 99
3.2.1. Солнечная радиация 100
3.2.2. Атмосферное давление 101
3.2.3. Влажность воздуха 102
3.2.4. Скорость ветра 103
3.2.5. Температура воздуха 104
3.3. Регистрация распределения температурных полей по наружным поверхностям стеновых панелей тепловизионным способом 106
3.4. Теоретическая оценка распределения температурных полей по наружным поверхностям стеновых панелей. сопоставление статистических показателей, полученных в ходе теоретических и натурных расчетов ill
3.4.1. Экспериментальное определение корреляционных зависимостей между скоростью движения воздуха вблизи ограждения и температурой тепловизионной съемки 119
Глава 4. Совершенствование алгоритма по повышению достоверности результатов натурных обследований путем сопоставления с результатами теоретических расчетов 130
4.1. Дефекты тепловой защиты зданий 130
4.2. Исследование возможности и особенностей сопоставления результатов экспериментальных и теоретических расчетов 131
4.3. Разработка алгоритма по повышению достоверности результатов тепловизионных обследований... 150
Глава 5. Разработка технических решений узлов на ружных ограждающих конструкций с улучшенными теплотехническими характеристиками. внедрение результатов в практику строительства 154
5.1. Разработка технических решений в монолитном домостроении с целью обеспечения санитарно-гигиенических требований 155
5.2. Внедрение разработанных технических решений узлов наружных ограждающих конструкций в практику строительства 161
Основные выводы 165
Библиографический список 167
Приложение 1 177
- Развитие нормативно-технической базы и научных направлений исследований в области повышения энергоэффективности зданий
- Методика проведения теоретических теплотехнических расчетов строительных конструкций с использованием программы «temper-3d»
- Факторы, влияющие на распределение темпера турных полей
- Исследование возможности и особенностей сопоставления результатов экспериментальных и теоретических расчетов
Введение к работе
Актуальность работы обусловлена необходимостью научной проработки вопроса о повышении энергоэффективности зданий жилого и общественного назначения и совершенствования методов ее оценки.
На сегодняшний день жилищно-коммунальный сектор является одной из энергоемких отраслей, потребляющей почти 1/3 топливно-энергетических ресурсов страны. Существующий потенциал энергосбережения в данной сфере составляет около 25-27 %. В этой связи особую роль приобретает разработка новых мероприятий, направленных на совершенствование правил учета и контроля энергопотребления и предельных энергопотерь.
Одним из приоритетных направлений энергосбережения в сфере ЖКХ является повышение энергоэффективности жилого фонда. В настоящее время в России большинство зданий имеют наружные ограждающие конструкции с низкими теплотехническими показателями, не соответствующими современным нормативно-техническим требованиям.
В работе особое внимание уделено разработке и оценке конструктивных решений, позволяющих повысить уровень энергоэффективности зданий жилого и общественного назначения с соблюдением требований санитарной гигиены.
Диссертационная работа выполнялась по приоритетному направлению национального проекта «Доступное и комфортное жилье - гражданам России» при поддержке Краевого государственного автономного учреждения «Красноярский краевой фонд поддержки научной и научно-технической деятельности».
Степень разработанности проблемы. Среди исследователей-теоретиков, чьи исследования являются фундаментальными в области инфракрасного излучения, можно отметить таких ученых, как У. Гершель, М. Ландриани, М. Меллони, А. Сванберг, Сэмюель П. Лэнгли, Д. Дьюар, П.Н. Лебедев, М. Планк, А. Энштейн, Г. Кирхгоф, Б.Б. Голицин, В. Вин.
Благодаря разработкам Научно-исследовательского института строительной физики РААСН (г. Москва), Московского технологического института энергетических обследований, диагностики и неразрушающего контроля «ВЕМО», «Томского НИИ интроскопии», Северо-Западного государственного технического университета (г. С.-Петербург), Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии (СибАДИ, г. Омск) в лице таких научных сотрудников, как Г.С. Иванов, Ю.А. Матросов, И.Н. Бутовский, О.Н. Буда-дин, Т.Е. Троицкий-Марков, Е.В. Абрамова, В.П. Вавилов, А.И. Иванов, А.И. Потапов, А.Д. Кривошеий и др., были сформулированы основные научно-теоретические положения и требования по проведению диагностики наружных ограждающих конструкций зданий на основе метода теплового неразрушающего контроля (ТНК) и осуществлен переход к практическому использованию в производственных условиях. Результаты исследований нашли свое отражение в нормативно-технической документации.
Несмотря на значительные результаты, достигнутые в области ТНК, следует отметить, что существующие методики по оценке теплотехнического
состояния ограждающих конструкций содержат неполную информацию в части моделирования распределения температурных полей по поверхностям ограждений. Отсутствует сравнительный анализ фактического распределения температурного поля по поверхности обследуемой конструкции с теоретическим, полученным на базе расчета конструктивного проектного решения, необходимый для повышения достоверности результатов, получаемых при теп-ловизионных обследованиях, и выявления причин, повлекших к образованию дефектов тепловой защиты зданий.
Цель работы: разработка конструктивных узлов сопряжений наружных ограждающих конструкций на основе усовершенствованной методики тепло-визионной диагностики зданий.
Объектами исследования являются наружные стеновые конструкции жилых и общественных зданий.
Методика исследования - экспериментально-теоретическая часть: в работе реализован комплексный подход к проблеме, включающий математическое моделирование; экспериментальные исследования в натурных условиях на натурных моделях; численно-аналитические исследования и сопоставительный анализ результатов.
Основные задачи исследований:
Изучить способы и методики тепловизионного обследования зданий.
Установить влияние факторов окружающей среды на распределение температур по поверхностям наружных ограждающих конструкций, научно обосновав признаки образования аномальных зон.
Оценить существующие конструктивные решения наружных стеновых панелей по показателю теплотехнической однородности на основе результатов натурных тепловизионных обследований.
Разработать систему классификации (по признаку образования) основных видов дефектов тепловой защиты ограждающих конструкций зданий, выявляемых при тепловизионных обследованиях.
Разработать алгоритм по повышению достоверности результатов натурных обследований путем сопоставления с результатами теоретических расчетов.
Разработать технические решения по улучшению теплотехнических характеристик существующих конструктивных узлов сопряжения наружных ограждающих конструкций.
Научная новизна:
Получены реальные значения параметров распределений температурных полей по наружным поверхностям стеновых ограждающих конструкций зданий, принятых к строительству на территории г. Красноярска и в его окрестностях. Коэффициент вариации, рассчитанный по фактически наблюдаемым значениям температур для стеновых панелей, более чем в 4,5 раза выше, чем у ограждений, выполненных из мелкоштучных изделий.
Установлено, что фактическое распределение температур приближается к нормальному закону практически для всех несветопрозрачных ограждений за исключением стеновых панелей. Представление реальных распределений температур методом тепловизионного контроля в виде частотно-
температурных гистограмм позволяет выявить конструктивные особенности и дефекты наружных ограждений.
Теоретическими расчетами установлено, что величины стандартных отклонений и коэффициентов вариации, являющиеся показателями разброса значений температур по поверхности ограждения, возрастают при понижении температуры наружного воздуха и снижении скорости ветра, что свидетельствует о повышении точности качественного и количественного анализа, достоверности получаемых результатов при тепловизионной съемке.
На основе тепловизионных измерений и теоретических расчетов наружных стеновых панелей получены адекватные математические модели зависимостей параметров распределения температуры от условий окружающей среды (температура, скорость ветра).
Для получения объективных результатов при проведении тепловизионных обследований стеновых панелей при скоростях ветра от О до 1 м/с температурный перепад между наружной и внутренней средой должен составлять не менее 10 С, а при скоростях ветра свыше 1 м/с -быть более 20 С.
Установлено, что большую часть существующих конструктивных решений можно довести до соответствия санитарно-гигиеническим требованиям путем применения малозатратных мероприятий, основанных на рациональном использовании конструктивных и теплоизоляционных материалов, перераспределяющих тепловые потоки в элементах наружных строительных конструкций.
Практическая значимость работы:
Усовершенствована существующая методика тепловизионной диагностики наружных ограждающих конструкций зданий путем включения в алгоритм тепловизионного обследования сравнительного анализа по распределению температурных полей, полученных в ходе натурных обследований, с результатами теоретических расчетов.
Разработана и предложена для использования система классификации основных видов дефектов тепловой защиты зданий, выявляемых при тепловизионных обследованиях наружных ограждающих конструкций.
Разработаны и внедрены в практику строительства технические решения узлов наружных ограждающих конструкций панельного и монолитного домостроения с улучшенными теплотехническими характеристиками, обеспечивающие санитарно-гигиенические требования и повышающие класс энергетической эффективности зданий.
Разработаны и внедрены в практику проектирования и строительства на территории г. Красноярска методические рекомендации по расчету наружных ограждающих конструкций с использованием программы «TEMPER-3D».
Реализация результатов работы. Результаты исследований и научных разработок используются в практике тепловизионных обследований наружных ограждающих конструкций в лаборатории строительной физики Сибирского федерального университета.
Теоретические положения диссертации используются на курсах «САПР, АСУ» по кафедре архитектуры гражданских и промышленных зданий Института градостроительства, управления и региональной экономики (ИГУиРЭ) СФУ для студентов специальности 270114 «Проектирование зданий», а также на курсах по переподготовке и повышению квалификации по направлениям «Проектирование зданий и сооружений» и «Строительство зданий и сооружений».
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. В соответствии с формулой специальности 05.23.01 «Строительные конструкции, здания и сооружения» в диссертации разработаны рациональные конструктивные решения на основе усовершенствованной методики тепловизионной диагностики наружных ограждающих конструкций зданий, направленные на создание наиболее совершенных и надежных конструкций.
Полученные в диссертации результаты исследования соответствуют следующим пунктам специальности 05.23.01 «Строительные конструкции, здания и сооружения»:
пункт 2 «Обоснование, разработка и оптимизация объемно-планировочных и конструктивных решений зданий и сооружений с учетом протекающих в них процессов, природно-климатических условий, экономической и конструкционной безопасности на основе математического моделирования с использованием автоматизированных средств исследований и проектирования» в части оптимизации существующих конструктивных решений жилых зданий с учетом природно-климатических условий Сибири на основе математического моделирования;
пункт 6 «Поиск рациональных форм, размеров зданий, помещений и их ограждений исходя из условий их размещения в застройке, деятельности людей и движения людских потоков, технологических процессов, протекающих в здании, санитарно-гигиенических условий, экологической безопасности» в части поиска рациональных строительных конструкций, отвечающих санитарно-гигиеническим требованиям, на основе использования в них строительных материалов, перераспределяющих тепловые потоки;
пункт 7 «Развитие теоретических основ строительно-акустических методов и средств, поиск рациональных решений освещения зданий и отдельных помещений, рациональных объемно-планировочных и конструктивных решений зданий и сооружений, направленных на повышение эффективности капиталовложений, энерго- и ресурсосбережение, создание комфортных условий для людей и оптимальных для технологических процессов» в части разработки конструктивных решений зданий, позволяющих повысить энергоэффективность;
пункт 8 «Методы и техника оценки и диагностики технического состояния, усиление и восстановление конструкций и элементов эксплуатируемых зданий и сооружений, прогрессивные формы обслуживания зданий, сооружений и систем их жизнеобеспечения» в части развития эффективного
метода оценки и диагностики технического состояния наружных ограждающих конструкций путем сопоставления результатов теоретических расчетов, полученных на основе использования современных программных продуктов, с результатами теплового неразрушающего контроля, позволяющего повысить достоверность в определении причин, повлекших к образованию дефектов.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на региональных конференциях, в том числе: на V Всероссийской научно-практической конференции (Красноярск, 2004 г.); на региональных научно-технических конференциях (Красноярск, 2005-2006 гг.); научно-практической конференции «Доступное и качественное жилье - национальный проект и современная необходимость» (Красноярск, 2006 г.); на совместном семинаре ученых Института СО РАН и СФУ по вопросу энергосбережения строительных и промышленных объектов (Красноярск, 2009 г.).
В полном объеме диссертационная работа докладывалась на расширенном научном семинаре кафедры архитектуры гражданских и промышленных зданий ИГУиРЭ СФУ (г. Красноярск, 2010 г.).
Публикации. Основные положения диссертации изложены в 12 печатных работах, в том числе в 2 статьях в рецензируемых журналах из перечня ВАК.
Положения, выносимые на защиту:
теоретическое обоснование расчетных значений геометрических и теплотехнических параметров строительных конструкций, учет которых необходим для получения достоверных результатов при расчетах приведенного сопротивления теплопередаче;
полученные эмпирические распределения температурных полей по наружным ограждающим конструкциям зданий, возведенных с применением различных технологий и конструктивных решений, а также их статистические показатели;
теоретическое обоснование с экспериментальным подтверждением результатов исследования изменения картины распределения температурных полей на поверхностях стеновых панелей в зависимости от параметров окружающей среды (скорости ветра и температуры);
усовершенствованная методика тепловизионной диагностики наружных ограждающих конструкций зданий путем включения в алгоритм тепло-визионного обследования сравнительного анализа по распределению температурных полей;
предложения по повышению теплотехнических показателей существующих конструктивных решений (узлов) зданий.
Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, пять глав, основные выводы, библиографический список источников из 110 наименований и 6 приложений. Общий объем работы изложен на 226 страницах. Основной текст диссертации - 176 страницы, включая 71 рисунок и 33 таблицы.
Развитие нормативно-технической базы и научных направлений исследований в области повышения энергоэффективности зданий
В послевоенное время в период расцвета капитального строительства в стране впервые были созданы отраслевые НИИ и сформирована передовая отечественная школа теплофизики, во главе которой стояли ученые с мировым именем: А.В. Лыков, К.Ф. Фокин, О.Е. Власов, Ф.В. Ушаков, В.А. Дроздов и др. [3, 29]. Именно в это время появились первые строительные нормы и правила (СНиП) по строительной теплотехнике, которые обеспечивали грамотное проектирование и массовое строительство жилых, общественных и промышленных зданий, отличающихся высокой эксплуатационной надежностью и удовлетворительной теплозащитой. Однако, справедливости ради, нужно отметить, что наружные ограждения таких зданий имели минимально допустимый, изначально заложенный проектом уровень теплозащиты, обеспечивающий в основном недопустимость выпадения конденсата на внутренней поверхности ограждения [95].
В 1978 г. принимается решение о повышении требований к теплозащите наружных стен. Однако и оно не могло в корне повлиять на уровень энергосбережения, поскольку величина повышения была незначительной и составляла всего 10 % [7].
Начиная с 1995 г. в основу нормативов был положен принцип поэтапного снижения потребности в тепловой энергии на отопление зданий с тем, чтобы к началу 2000 г. снизить уровень энергопотребления строящихся и реконструируемых зданий не менее чем на одну треть. Исходя из поставленной задачи снижения теплопотерь были установлены нормы для различных районов страны с учетом продолжительности отопительного периода и средней температуры наружного воздуха за этот период. Именно эти климатические характеристики, выраженные в градусо-сутках отопительного периода (ГСОП), определили общий расход тепла на отопление здания.
Из планируемого снижения уровня энергопотребления были рассчитаны новые требования по сопротивлению теплопередаче для отдельных элементов ограждающих конструкций, величины которых были увязаны с ГСОП, а не с расчетной температурой наружного воздуха в зимний период (СНиП П-3-79 , табл. 1а для первого этапа и табл. 16 - для второго). Согласно вновь введенной характеристике требования по сопротивлению теплопередаче ограждающих конструкций жилых и общественных зданий к 2000 г. были повышены в 2,5-3 раза. Причем эти требования касались так называемых приведенных сопротивлений теплопередаче ограждающих конструкций.
По данным [30] расчеты удельного энергопотребления на отопление многоэтажных жилых зданий массового строительства, запроектированных в центральной полосе Российской Федерации по нормам 1986 г. (при требуемом сопротивлении теплопередаче наружных стен RQreq = 1 м"-С/Вт), первого и второго этапов повышения уровня теплозащиты в 1995 г. (при R0req = 2) и 2000 г. (при R0req = 3) соответственно, показывают, что удельное энергопотребление зданий, запроектированных по требованиям первого этапа, на 18— % ниже, чем зданий, запроектированных до 1995 г., и еще на 14-18 % -при переходе к требованиям второго этапа. Для одноквартирных малоэтажных жилых домов эта разница еще выше и составляет 24-28 % и 18-23 %, соответственно, по первому и второму этапам.
В качестве примера на рис. 1.3 представлена схема, показывающая поэтапное повышение нормируемых величин сопротивления теплопередаче, предъявляемых к типовым ограждающим конструкциям жилых зданий, возводимых на территории г. Красноярска, в процессе развития нормативной базы, на основе данных, взятых из источников [13, 20, 49]. Анализ схемы (рис. 1.3) показал, что изменение величины нормируемого сопротивления теплопередаче для каждой отдельно взятой ограждающей конструкции здания происходило непропорционально. Для наглядности на рис. 1.4 представлена гистограмма, показывающая прирост нормируемых величин сопротивления теплопередаче стенового и светопрозрачного ограждений.
Методика проведения теоретических теплотехнических расчетов строительных конструкций с использованием программы «temper-3d»
Теоретические расчеты на программе «TEMPER-3D» проводились в следующей последовательности: подготовка исходных данных; выбор конструктивного решения (схемы) рассчитываемой ограждающей конструкции; подготовка расчетной схемы к вводу в программу, идеализация исходной области; расчет на программе «TEMPER-3D»; сравнение теплотехнических показателей, полученных в результате расчета на программе, с нормативными значениями. Исходными данными для проведения теплотехнического расчета являются: расчетная температура наружного воздуха text, С, принимаемая по табл. 1 [44] как температура наиболее холодной пятидневки с обеспеченностью 0,92; расчетная температура внутреннего воздуха tint, С, принимаемая по минимальным значениям оптимальной температуры для жилых и общественных зданий по табл. 1 и 2 [45], для зданий производственного назначения по табл. 1 [46] или согласно заданию на проектирование; расчетная относительная влажность внутреннего воздуха pinh %, принимаемая в соответствии с п. 5.9 [20]; температура точки росы td, С, определяемая в зависимости от tint и q ,„f по прил. Р [21]; расчетное значение коэффициента тепловосприятия аш, Вт/(м2,0С), принимаемое по табл. 7 [20]; расчетное значение коэффициента теплоотдачи aext, Вт/(м С), принимаемое согласно п. 9.1.2 и табл. 8 [21]; расчетные значения коэффициентов теплопроводности материалов X, Вт/(м,0С), используемых в рассчитываемой ограждающей конструкции, принимаются по прил. Д [21]. Выбор конструктивного решения (схемы) рассчитываемой ограждающей конструкции зависит от цели проводимого расчета. В зависимости от преследуемой цели расчет производится по одному из следующих направлений: 1. Расчет с целью определения приведенного сопротивления теплопередаче отдельной конструкции или изделия заводского изготовления (панель стеновая, плита покрытия и т.п.); 2. Расчет с целью определения приведенного сопротивления теплопередаче ограждения (стена, покрытие, пол по грунту и т.п.). Данные, полученные в ходе такого расчета, используются при заполнении энергетических паспортов зданий. По первому направлению в расчетной схеме учитываются: конструктивные особенности ограждения, т.е. теплопроводные включения в теле ограждения, присущие рассматриваемой конструкции; при расчете конструкции, содержащей проем, откосы и предполагаемое светопрозрачное ограждение этого проема; при расчете стенового ограждения, выполненного из мелкоштучных элементов, например из кирпича, пено-, газобетонных блоков и т.п., повторяющийся участок. При выборе второго направления расчетная схема содержит все элементы, указанные в первом варианте, а также примыкающие внутренние и наружные конструкции, например стены, перегородки, перекрытия, балконные плиты, простенки лоджии, козырьки и т.п. При работе с программой «TEMPER-3D» особое внимание уделялось идеализации исходной области. Идеализация заключается в отбрасывании «несущественных» элементов, которые не влияют или влияют незначительно на конечный результат. При этом принимаемая в расчете расчетная схема может быть существенно упрощена и отличаться от исходной области без ущерба последней. Правила ввода расчетной схемы детально описаны в инструкции [12, 33]. При проведении комплексного расчета конструкции, содержащей сложные элементы (подконструкции), соблюдалась следующая последовательность: первоначально рассчитывались элементы подконструкции и определялись интересующие интегральные характеристики; проводился комплексный расчет всего ограждения, при этом подконструкции учитывались уже как однородные материалы. Например, при расчете трехслойной стеновой панели со светопрозрач-ным ограждением (окном) из сложного профиля (рис. 2.6) предварительно рассчитывались интегральные характеристики (приведенное сопротивление теплопередаче, эквивалентный коэф R-X фициент теплопроводности) профиля светопрозрачного ограждения, а затем, приняв светопрозрачное ограждение как однородный материал, производился расчет стеновой панели. Рис. 2.6. Упрощение расчетной схемы на примере стеновой панели с окном Расчет на программе «TEMPER-3D» производится согласно правилам и в последовательности, указанной в п. 2.1.3 и [12, 33]. Полученные в ходе расчета на программе «TEMPER-3D» величины приведенного сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций и распределение температурных полей по внутренним поверхностям ограждений позволяют оценить «качество» запроектированных (применяемых) узлов или конструкций. Особое внимание при анализе результатов расчетов уделяется распределению температурных полей по внутренним поверхностям конструкций, так как данный показатель напрямую связан с санитарно-гигиеническими требованиями пребывания (проживания) человека. При обнаружении зон с пониженными температурами, значения которых опускаются ниже темпера туры точки росы, необходимо производить разработку технических решений по их устранению. При определении эффективности запроектированной ограждающей конструкции использовался показатель, характеризующий однородность ограждения, - коэффициент теплотехнической однородности г. Если в результате сравнения рекомендуемое значение коэффициента теплотехнической однородности оказывается больше рассчитанного, то делается вывод о нецелесообразности применения рассматриваемой конструкции и необходимости доработки или разработки нового конструктивного решения.
Факторы, влияющие на распределение темпера турных полей
Как было установлено ранее, здания, возводимые из крупноразмерных полносборных элементов — панелей [26], обладают наихудшей однородностью в части распределения температурных полей (большой разброс температуры и наибольшие коэффициенты вариации), нежели ограждения, возводимые с применением других технологий. Очевидно, что расположение участков с повышенными температурами напрямую зависит от конструктивного исполнения, или точнее, от местоположения теплопроводных включений в ограждениях, а низкий показатель однородности - большими площадями теплопроводных включений, в которые входят: зоны межпанельных швов; контурные и внутренние ребра, соединяющие внутренний несущий и наружный облицовочный слои (для панелей, выпускаемых до 1995 г. (рис. 13 прил. 2); обрамляющие ребра и шпонки (для панелей, выпускаемых после 1995 г. (рис. 12 прил. 2); закладные монтажные элементы, предназначенные для связи между собой внутренних и наружных ограждающих конструкций зданий.
Помимо конструктивных особенностей исполнения наружных стеновых ограждений на распределение температурных полей непосредственное влияние оказывают факторы окружающей среды, в которых находится (эксплуатируется) ограждение: солнечная радиация, давление, влажность, темпе атура, скорость движения воздуха вблизи обследуемой поверхности, причем влияние их неоднозначно. Вкратце остановимся на каждом из факторов.
Вследствие прогрева солнечными лучами наружной поверхности, как правило, носящего кратковременный (циклический) характер, искажается распределение тепловых полей на обследуемой поверхности. Для устранения негативного влияния, вызванного данным явлением, рекомендуется проводить обследования в предрассветные часы (утром), так как прогрев, вызванный солнечной радиацией, полностью исчезает после 8-12 часов [15]. Для примера на рис. 3.15 представлены термограммы стеновой панели, снятые в дневное (рис. 3.15, а), вечернее (рис. 3.15, б) и ночное (рис. 3.15, в) время при температуре наружного воздуха = 8,0 С. видно, что под воздействием солнечных лучей темная часть панели прогрелась сильнее, чем светлая, а термограмма, полученная в ходе дневной съемки, имеет среднюю температуру поверхности на 5,4 С выше, чем термограмма, снятая вечером, и на 6,4 С выше, чем термограмма, снятая ночью.
Перепад давлений на внутренней и наружной поверхностях может оказывать значительное влияние на качественную картину обследуемых термограмм. Так установлено, что в связи с перепадом давления по высоте здания конструктивные швы на нижних этажах здания могут иметь количественные значения температур более низкие, чем на верхних этажах (рис. 3.16).
Обуславливается это явление тем, что в связи с инфильтрацией холодного воздуха через места протечек (трещины, зазоры и т.п.) на нижних этажах происходит интенсивное охлаждение поверхностей раскрытия трещины, вызывающее понижение температуры близлежащих зон. На верхних этажах, где наблюдается инверсия давления, т.е. эксфильтрация теплого воздуха из помещения на улицу, места протечек выглядят более теплыми по отношению к смежным участкам.
При выявлении мест протечек воздуха следует также обращать внимание на направление и скорость ветра, оказывающего непосредственное влияние на образование перепада давления по обследуемой поверхности. Так с подветренной стороны места образования протечек выглядят более теплыми по отношению к аналогичным участкам без протечек и, наоборот, с подветренной - более холодными.
Исследование возможности и особенностей сопоставления результатов экспериментальных и теоретических расчетов
Как было отмечено ранее, при проведении количественного анализа на базе существующих методик по тепловизионному обследованию вопрос о получении достоверной информации остается открытым ввиду отсутствия в перечисленных методиках контроля по объективности получаемых результатов (контрольных проверочных расчетов). С целью устранения выявленного недостатка авторами работы предлагается исследовать возможность сопоставления результатов экспериментальных и теоретических расчетов путем проведения сравнительных анализов фактического распределения температурных полей по поверхностям обследуемых конструкций с рассчитанными полями. Для моделирования теоретического распределения температурных полей в работе использовалась сертифицированная программа «TEMPERED», позволяющая рассчитывать трехмерные температурные поля методом конечных элементов. Рассмотрим возможность сопоставления результатов экспериментальных и теоретических расчетов (качественной картины распределения температурных полей и количественных значений теплотехнических пока зателей) наружных стеновых ограждающих конструкций зданий на примере панельного домостроения. Эксперимент №1. В результате проведенного тепловизионного обследования наружных ограждающих конструкций 3-этажного панельного здания выявлена наружная стеновая панель с аномальным расположением температурных полей. «Аномальная» панель расположена в помещении жилой квартиры на третьем этаже здания. Согласно проведенным расчетам в соответствии с [6, 16, 17] установлено, что приведенное сопротивление теплопередаче панели (с учетом герметизации межпанельных швов) Rr0 составляет 1,66 м",0С/Вт. Установим причину повышенных теплопотерь и классифицируем дефект тепловой защиты зданий. В целях повышения достоверности результатов проводимого анализа рассмотрим две смежные панели (рис. 4.2, а). Как видно из термограмм, представленных на рис. 4.2, б, панель, расположенная слева, имеет более низкие значения температур наружной поверхности по сравнению с правой, что свидетельствует о повышенных теплопотерях последней. Данный вывод подтверждается количественными значениями средних температур наружной поверхности: левой - минус 12,0 С; правой - минус 10,7 С. Для удобства проведения дальнейшего анализа определим левую панель как «качественную», а правую - «аномальную». Общее описание конструкций. Наружные стеновые панели HP 30.28.4-2 трехслойные толщиной 400 мм на дискретных связях (шпонках). Внутренний и наружный слои выполнены из керамзитобетона толщиной 155 и 30 мм, соответственно, в качестве утепляющего слоя используется полистирольный пенопласт — 180 мм. Внутренняя и наружная поверхности панелей оштукатурены цементно-песчаным раствором 15 и 20 мм соответственно. Расчеты обследуемых стеновых панелей НР-30.28.4-2 производились на основании проектных чертежей, разработанных ТГИ «Красноярскграж-данпроект» [53] с учетом примыкания внутренних и наружных ограждающих конструкций. Решения, применяемые при заделке горизонтальных и вертикальных стыков наружных стеновых панелей, принимались по [54]. Теплотехнические характеристики материалов, использованные в стеновых панелях, сведены в табл. 4.1. В ходе теоретических расчетов проектного решения при расчетных параметрах наружной и внутренней среды для условий г. Красноярска (табл. 4.2) установлено, что условное сопротивление теплопередаче стеновых панелей НР-30.28.4-2, вычисленное по формуле (1.4), составляет: RQ =1/8,7+(0,015/0,76+0,155/0,5+0,18/0,041+0,03/0,5+0,02/0,76)+1/23= 4,96 м2-С/Вт. а) усредненная температура на внутренних поверхностях панели соста вила 18,3 С, т.е. расчетный температурный перепад между температурами внутреннего воздуха и на поверхности ограждающих конструкций (А/ = 2,7 С) не превышает нормируемого перепада (Atn = 4 С); б) минимальные значения температур в углах, образованных внутрен ними конструкциями и наружным ограждением, а также внутренними отко сами и светопрозрачным ограждением, выше температуры точки росы. Для сопоставления результатов теоретического расчета с результатами натурного обследования в пункте «граничные условия» программы «TEMPERED» введем данные, полученные после обработки температурных историй (рис. 4.4): аш = 2,1 Вт/(м2-С), tint = 21 С, aext = 3,1 Вт/(м2-С), text = -15,2 С.
