Введение к работе
Актуальность темы исследования.Для обеспечения тепловых потребностей зданий расходуется до 1/3 всех потребляемых энергетических ресурсов в Российской Федерации. Энергосбережение входит в число приоритетных направлений развития науки и техники в Российской Федерации. В настоящее время последовательно сокращается удельный расход тепловой энергии, на отопление и вентиляцию зданий, ужесточаются требования к тепловой защите ограждающих конструкций. На это направлен ряд постановлений Правительства Российской Федерации и приказов различных министерств.
Выполнение этих повышенных требований вынуждает строительную отрасль к постоянному развитию строительных материалов, совершенствованию ограждающих конструкций и инженерных систем, в том числе совершенствованию узлов ограждающих конструкций. Узел сопряжения наружной стены, плиты перекрытия и балконной плиты вносит наибольший среди теплотехнических неоднородностей вклад в тепловые потери здания.
В настоящее время контроль теплотехнических показателей балконного узла осуществляется либо путем расчета температурных полей, либо путем использования СП 230.1325800.2015 «Конструкции ограждающие зданий. Характеристики теплотехнических неоднородностей». Оба способа обладают рядом недостатков. Расчет температурных полей требует дорогих специализированных программ и высокой квалификации расчетчиков. СП 230.1325800.2015 не содержит данных по минимальной температуре на внутренней поверхности узла, охватывает не все случаи, и при отклонении от стандартных параметров падает точность определения удельных потерь теплоты. Поэтому контроль теплотехнических показателей балконного узла в процессе проектирования является актуальным.
Степень разработанности темы диссертации. Исследования в области строительной теплотехники, а также тепловой защиты зданий проводили К.Ф. Фокин, О. Е. Власов, В.Н. Богословский, В.Д. Мачинский, В.М. Ильинский, Б.Ф. Васильев, А.М. Шкловер, Ф.В. Ушков, А.В. Лыков, А.И. Ананьев, В.К. Савин, В.А. Могутов, В.Г. Гагарин, В.Н. Куприянов, И.Н. Бутовский, Н.П. Умня-кова, В.В. Козлов, Е.Г. Малявина, П.В. Монастырев, Д.В. Крайнов и др.
Развитие ограждающих конструкций привело к устареванию справочных данных и методик, использовавшихся ранее. С введением новой методики расчета приведенного сопротивления теплопередаче в СП 50.13330.2012 возникла потребность в удельных потерях теплоты различных узлов ограждающих конструкций. Для удовлетворения этой потребности разработан СП 230.1325800.2015, содержащий табличные данные по удельным потерям теплоты для различных вариантов узлов, в том числе и для наиболее мощной теплотехнической неоднородности – сопряжения наружной стены, плиты перекрытия и балкона.
Практика использования СП 230.1325800.2015 показала, что, несмотря на простоту предложенной в нем методики, получение результатов для реальных конструкций требует достаточно сложных расчетов. Кроме того, для получения данных по минимальной температуре на внутренней поверхности балконного узла все еще требуется проводить численные расчеты температурного поля с использованием специализированных программ.
В силу вышеизложенного, в настоящее время тема диссертации требует дальнейшей разработки.
Цель и задачи. Цель диссертационной работы - разработка инженерных методик расчета удельных потерь теплоты через балконный узел и расчета минимальной температуры на внутренней поверхности балконного узла.
Задачи диссертации:
разработать инженерную методику расчета минимальной температуры на внутренней поверхности конструкции;
разработать инженерную методику расчета удельных потерь теплоты балконного узла;
провести экспериментальную проверку разработанных методик в лабораторных и натурных условиях;
подготовить предложение для внедрения методик в действующие нормативные документы.
Научная новизна работы:
1. Доказана линейная зависимость удельных потерь теплоты через балконный узел стены с наружным утеплением от квадратного корня из теплопроводности материалов основания стены и плиты перекрытия.
-
Получено приближенное выражение для зависимости минимальной температуры на внутренней поверхности ограждения от параметров балконного узла для стен с наружным утеплением с помощью комбинированного аналитического и численного решений уравнения теплопроводности.
-
Сформулировано и подтверждено численными расчетами предположение о теплотехнической эквивалентности внутренней части балконного узла со сложной геометрией сегменту цилиндра.
-
Получена приближенная формула зависимости удельных потерь теплоты от параметров балконного узла для стен с наружным утеплением.
-
Получена приближенная формула зависимости удельных потерь теплоты от параметров балконного узла однослойной стены.
Теоретическая и практическая значимость работы.
-
Разработана методика расчета минимальной температуры на внутренней поверхности балконного узла для стен с наружным утеплением.
-
Подготовлена таблица теплопроводности эффективного слоя в зависимости от теплопроводности основания и параметров перфорации балконного узла.
-
Разработана методика расчета удельных потерь теплоты через балконный узел для стен с наружным утеплением.
-
Разработана методика расчета удельных потерь теплоты через балконный узел для однослойных стен.
-
Найдено значение коэффициента влияния стены для учета огибания перфорированного слоя в однослойных стенах.
-
Сделанные в диссертации предположения подтверждены в лабораторных и натурных условиях.
-
На отдельных примерах показана возможность применения разработанных методик для решения различных задач строительной теплотехники, в том числе решение «обратной задачи» корректировки конструкции балконного узла для достижения заранее заданных удельных потерь теплоты или приведенного сопротивления теплопередаче стены в целом.
-
Сформулированы предложения по внедрению в нормативные документы, в том числе алгоритм нахождения минимальной температуры на внут-
ренней поверхности балконного узла и алгоритм нахождения удельных потерь теплоты через балконный узел.
Методология и методы исследования.
Методологической основой работы являются достижения отечественных и зарубежных ученых в области теплотехнических исследований.
В диссертационной работе используется теоретическо-экспериментальный метод. Расчеты температурных полей проводились с помощью трехмерного моделирования стационарного процесса теплопередачи, основанного на конечно-разностном методе в декартовых координа-тах.Аналитические расчеты проводились с помощью фундаментальных законов теплопереноса и аппарата математического анализа. Расчеты удельных потерь теплоты, приведенного сопротивления теплопередаче проводились в соответствии с СП 50.13330.2012, СП 131.13330.2012 и СП 230.1325800.2015.
Все экспериментальные исследования выполнены в лаборатории ФГБУ НИИСФ РААСН. Исследования в климатической камере проводились в соответствии с ГОСТ 26254-84, ГОСТ 26629-85, ГОСТ Р 50342-92 и ГОСТ Р 50431-92 с использованием поверенных датчиков температуры и теплового потока.
Методика натурного эксперимента базировалась на показаниях поверенных приборов. В качестве теоретической базы для исследования использованы фундаментальные положения строительной теплофизики.
Положения, выносимые на защиту:
формула для нахождения минимальной температуры на внутренней поверхности балконного узла стены с наружным утеплением;
методика упрощенного расчета удельных потерь теплоты через балконный узел для стены с наружным утеплением;
методика упрощенного расчета удельных потерь теплоты через балконный узел для однослойной стены;
понятие «термическое сопротивление балконного узла» и возможность его нахождения как суммы термических сопротивлений трех частей балконного узла.
Степень достоверности результатов обеспечивается применением современных методов научных исследований с использованием классических ме-
тодов строительной теплофизики. Диссертация опирается на достижения признанных отечественных и зарубежных ученых в этой области.
Теоретические выкладки основаны на классических законах математического моделирования теплопереноса, на теории расчета приведенного сопротивления теплопередаче. При постановке эксперимента и натурных исследований использованы общепринятые методики, поверенное оборудование и измерительные приборы. Результаты исследования воспроизводимы при многократных измерениях.
Достоверность результатов обусловливается удовлетворительной сходимостью результатов аналитических и численных расчетов и экспериментальных и натурных исследований.
Апробация результатов.
Основные положения работы докладывались на научных конференциях:
-
Научная конференция – V Академические чтения, посвященные памяти академика Г.Л. Осипова, «Актуальные вопросы строительной физики. Энергосбережение, надежность строительных конструкций, экологическая безопасность». Москва, 2-4 июля 2013 г.
-
Международная научно-практическая конференция – Экологическая безопасность и энергосбережение в строительстве. Москва-Кавала, 17-27 августа 2013г.
-
Международная научно-практическая конференция – Проблемы экологической безопасности и энергосбережения в строительстве и ЖКХ. Москва-Кавала, 18-29 августа 2014 г.
-
Научная конференция – VII Академические чтения, посвященные памяти академика Г.Л. Осипова, «Актуальные вопросы строительной физики. Техническое регулирование в строительстве». Москва, 5-8 июля 2016 г.
-
Научная конференция – VIII Академические чтения, посвященные памяти академика Г.Л. Осипова, «Актуальные вопросы строительной физики. Энергосбережение. Надежность строительных конструкций и экологическая безопасность». Москва, 3-5 июля 2017 г.
-
Международная научная конференция – Международный форум и выставка высотного и уникального строительства 100+ ForumRussia. Екатеринбург, 4 – 6 октября 2017 г.
7. Научная конференция – IX Академические чтения, посвященные памяти академика Г.Л. Осипова, «Актуальные вопросы строительной физики. Надежность строительных конструкций и экологическая безопасность». Москва, 4-6 июля 2018 г.
Автор выражает благодарность Умняковой Н.П. за консультации при проведении исследований.
Область исследованиясоответствует требованиям паспорта научной специальности ВАК 05.23.01 Строительные конструкции, здания и сооружения, а именно п. 3 «Создание и развитие эффективных методов расчета и экспериментальных исследований вновь возводимых, восстанавливаемых и усиливаемых строительных конструкций наиболее полно учитывающих специфику воздействий на них, свойства материалов, специфику конструктивных решений и другие особенности».
Внедрение результатов работы.
Результаты работы использованы при разработке СП 345.1325800.2017 «Здания жилые и общественные. Правила проектирования тепловой защиты». Результаты диссертации использованы при выполнении НИОКР по теме «Разработка методики определения удельных потерь теплоты и подготовка справочных материалов для корректировки стандарта ИСО» в рамках договора НИИСФ РААСН № 41020(2018) от 02.03.2018 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 работ, из которых 11 работ – в журналах, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией РФ, 3 работы – в журналах, включенных в базу данных Scopus.
Структура и объем работы. Диссертационная работа включает в себя: введение, пять глав, заключение, список литературы (116 наименований, в том числе 26 на иностранных языках), 61 рисунок, 27 таблиц, 101 формула. Общий объем диссертации – 161 страница.