Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние проблемы. цели и задачи. 8
1.1. Фильтрация воздуха через ограждающие конструкции 8
1.2. Здания с воздухопроницаемыми ограждающими конструкциями 12
1.2.1. Особенности старых неиндустриальньгх зданий 12
1.2.2. Перспективные здания с воздухопроницаемыми ограждающими конструкциями 17
1.3. Основные формы связи влаги с материалом конструкций 21
1.4. Существующие методы расчета тепловлажностного режима ограждающих конструкций в условиях фильтрации воздуха 26
1.4.1. Температурный режим ограждающих конструкций в условиях фильтрации воздуха 26
1.4.2. Влажностный режим ограждающих конструкций в условиях фильтрации воздуха 28
1.5. Условия формирования знакопеременной фильтрации воздуха и тепловлажностный режим ограждающих конструкций .34
1.6. Цели и задачи исследования 40
Глава 2. Тепловлажностный режим ограждающих конструкций в условиях знакопеременной фильтрации воздуха 41
2.1. Особенности работы ограждающих конструкций в условиях знакопеременной фильтрации воздуха .41
2.2. Тепловлажностный режим ограждающих конструкций при знакопеременной фильтрации воздуха 43
2.2.1. Нестационарный влажностный режим в области сверх сорбционного увлажнения в условиях эксфильтрации воздуха.
2.2.2. Тепловлажностный режим ограждающих конструкций в условиях знакопеременной фильтрации воздуха
2.3. Анализ результатов расчета тепловлажностного режима ограждающих конструкций в условиях знакопеременной фильтрации воздуха .
2.4. Выводы по главе 2 .
Глава 3. Основы обеспечения заданной фильтрации воздуха через ограждающие конструкции .
3.1. Факторы, определяющие фильтрацию воздуха через ограждающие конструкции .
3.2. Требуемые расходы воздуха через воздухопроницаемые ограждающие конструкции .
3.2.1. Предельно-допустимые расходы воздуха через ограждающие конструкции из условий санитарно-гигиенических требований .
3.2.2. Требуемые расходы воздуха через ограждающие конструкции из условий проявления эффектов инфильтрации
3.3. Методы обеспечения заданной фильтрации воздуха
3.4. Предлагаемый метод обеспечения управляемой фильтрации воздуха .
3.4.1. Обоснование нового метода управления фильтрацией
3.4.2. Принципиальные конструктивные решения ограждающих конструкций с управляемой фильтрацией .
3.5. Выводы по главе 3 .
Глава 4. Экспериментальные исследования тепло-влажностного режима ограждающих конструкций в условиях знакопеременной фильтрации воздуха
4.1. Цели и задачи исследований .
4.2. Экспериментальные исследования тепловлажностного режима ограждающих конструкций в условиях эксфильтрации воздуха 98
4.2.1. Методика проведения экспериментов по исследованию влажностного режима - 98
4.2.2. Методика обработки и результаты экспериментальной проверки теоретических основ увлажнения ограждающих конструкций в условиях эксфильтрации воздуха 104
4.3. Исследования фрагментов ограждающих конструкций со слоем регулирующим воздухопроницаемость 110
4.3.1. Методика проведения эксперимента по исследованию ограждений со слоем регулирующим воздухопроницаемость 110
4.3.2. Методика обработки и результаты экспериментальных исследований ограждений со слоем регулирующим воздухопроницаемость 116
4.4. Выводы по главе 4 124
Приложение 1 127
Литература .1
- Существующие методы расчета тепловлажностного режима ограждающих конструкций в условиях фильтрации воздуха
- Тепловлажностный режим ограждающих конструкций при знакопеременной фильтрации воздуха
- Требуемые расходы воздуха через воздухопроницаемые ограждающие конструкции
- Экспериментальные исследования тепловлажностного режима ограждающих конструкций в условиях эксфильтрации воздуха
Введение к работе
Проблема энергосбережения в зданиях тесно связана с уровнем тепло-защитных качеств наружных ограждающих конструкций. Одним из важнейших аспектов энергосбережения в условиях рыночных отношений и тенденции к сокращению энергозатрат на эксплуатацию зданий является сокращение расхода энергоресурсов (угля, газа, нефти и др.), совершенствование методов использования возобновляемых и нетрадиционных источников энергии за счет внедрения эффективных теплоизоляционных материалов, разработки и применения энергосберегающих конструкций наружных стен, совмещающих функции теплозащиты и воздухообмена помещения.
Эффективным техническим решением является разработка и внедрение воздухопроницаемых ограждающих конструкций, работающих в режиме поро во и инфильтрации наружного воздуха, обеспечивающих возврат трансмиссионных теплопотерь зданием и регулируемый равномерно распределенный приток свежего воздуха в помещения без образования дискомфортных зон. Эффективность применения таких конструкций для улучшения теплового и влажностного режима микроклимата зданий, обеспечения требуемого воздухообмена помещений обусловлена возможностью использования положительных эффектов поровой инфильтрации и подтверждается опытом эксплуатации в зданиях различного назначения как в нашей стране, так и за рубежом.
Однако, воздухопроницаемые ограждающие конструкции при работе в условиях знакопеременной фильтрации (попеременного воздействия инфильтрации и эксфильтрации) могут терять свои эксплуатационные качества за счет увлажнения и промерзания и, как следствие, снижать свою воздухопроницаемость, теплозащитные качества и долговечность.
Рассматривая процесс тешгомассобмена через воздухопроницаемые ограждающие конструкции, с учетом их расположения в оболочке здания, можно отметить, что условия устойчивой инфильтрации можно успешно
создать за счет механических систем удаления воздуха из помещений с гарантированным проявлением положительных эффектов поровой инфильтрации. В условиях же естественных тепловых и ветровых перепадов давлений не исключается знакопеременность процессов фильтрации с проявлением как положительных эффектов инфильтрации, так и отрицательных эффектов эксфильтрации. Таким образом необходима разработка новых ограждающих конструкций с регулируемой воздухопроницаемостью, способных пропускать инфильтрующийся воздух и становиться непроницаемыми в случае возникновения эксфильтрации. Для разработки ограждающих конструкций с регулируемой проницаемостью необходимо выявить закономерности влияния знакопеременной фильтрации воздуха на состояние воздухопроницаемых ограждающих конструкций и разработать методику расчета тепловлаж-ностного режима ограждений в условиях знакопеременной фильтрации.
Основная идея работы заключается в использовании физических эффектов фазовых превращений материала отдельных слоев ограждающих конструкций, обеспечивающих избирательную их воздухопроницаемость с максимальным проявлением положительных эффектов инфильтрации и исключением отрицательного влияния эксфильтрации.
Объектом исследования являются воздухопроницаемые ограждающие конструкции, работающие в условиях знакопеременной фильтрации воздуха, а предметом исследования — закономерности процессов увлажнения и сушки материала воздухопроницаемых ограждений в условиях знакопеременной фильтрации воздуха.
Существующие методы расчета тепловлажностного режима ограждающих конструкций в условиях фильтрации воздуха
Температурный режим воздухопроницаемого ограждения при фильтрации воздуха в общем виде описывается дифференциальным уравнением [73]: где с - удельная теплоемкость материала ограждения, Вт ч/(кгС); р - плотность материала ограждения, кг/м3; к - коэффициент теплопроводности материала, Вт/мС; св - удельная теплоемкость воздуха, Вт ч/(кгС); W- количест-во фильтрующегося воздуха, кг/м ч.
В условиях постоянной наружной и внутренней температуры во времени, т.е. в стационарных условиях производная по времени в уравнении (1.1) будет равна нулю и дифференциальное уравнение распространения тепла в плоской стенке при фильтрации воздуха приобретет вид: Решение уравнения (1.2) дает формулу для определения температуры в любой плоскости ограждения [73]: где tx - температурам любой плоскости ограждения, С; tm te — температура наружного и внутреннего воздуха, С; Rx — термическое сопротивление ограждения от наружного воздуха до рассматриваемой плоскости при отсутствии фильтрации воздуха, м С/Вт; R0 - сопротивление теплопередаче всего ограждения при отсутствии фильтрации воздуха, м2 С/Вт; W — количество фильтрующегося воздуха, кг/м"ч. Для расчета температурного режима в нестационарных условиях фильтрации воздуха наиболее точными и удобными являются формулы нестационарного температурного режима полученными А.Д.Кривошеиным и детально изложенными в работе [39]. Формула для определения температуры в любой плоскости однородного ограждения в любой момент времени при нестационарном температурном Для удобства определения температуры при наличии фильтрации и без нее, конечное решение уравнения (1.4.) представлено в виде [39]: Данное уравнение дает устойчивое решение в условиях наличия положительных коэффициентов при температурах, которое соблюдаться при 4? _ Azma которое определяется по (Ьоомуле: Физический смысл формулы (1.6) состоит в том, что через интервал времени Az = Azmax между плоскостями п+1 и п-1 устанавливается стационарное состояние теплопередачи. Если ограждение состоит из нескольких различных материалов то формула для определения температуры в плоско стях ограждения примет вид ности офаждения определяются из условий стационарного теплового режима, для наружной поверхности [39]: .нп где ан к а« — коэффициенты теплообмена наружной и внутренней поверх-ности, Вт/м" С; tn+l:, tn.j- — температуры соседних слоев для предыдущего периода времени, движение воздуха через пофаничные слои воздуха изменяет коэффициенты теплообмена.
При инфильтрации на внутренней поверхности Офаждения интенсивность теплообмена уменьшается, а при эксфильтра-ции — увеличивается, коэффициент теплообмена при наличии фильтрации может быть достаточно точно определен по упрощенной формуле: Наложение фильтрационного переноса массы влажного воздуха на диффузное перемещение водяного пара значительно усложттягт описпгткс общего механизма влагопереноса. Существует несколько методов расчета влаж носттгого режима ограждгаощих конструкций с учетом фильтрации воздуха. Определение общего количества пара, переносимого диффузией и фильтрацией, представлено Брилингом Р.Е. [11]: где первое слагаемое отражает фильтрационный перенос пара, а второе - перенос за счет градиента упругости водяного пара. Более полное описание процессов молекулярно-молярного переноса влаги сделано в работах Лыкова А.В. Им получена система дифференциальных уравнений тепло- и массопереноса при наличии фильтрации воздуха [44]: где ncpscc уравнение системы списывает перенос тепла, второе - пара и жидкости, третье - отражает изменение общего давления (потенциала фильтрационного движения). Использование этой системы уравнений для инженерных расчетов вызывает определенные трудности, связанные с громоздкими аналитическими решениями.
Зятьков А.И. разработал метод [35], позволяющий рассчитать колтптсст-во водяного пара сконденсированного в толще ограждения с учетом экс-фильтрации. Этот метод оеггозан на определении границ зоны возможной конденсации при совместном действии диффузного и молярного переноса водяного пара с определением количестве1, водгпото nspa ггроїпшттсто Е OVJ-?".:-дении и удалившегося из ограждения.
Тепловлажностный режим ограждающих конструкций при знакопеременной фильтрации воздуха
В условиях знакопеременной фильтрации воздуха ограждающие конструкции будут подвергаться как осушающему действию инфильтрации, так и увлажняющему действию эксфильтрации, а при эксфильтрации теплый и влажный внутренний воздух фильтруется сквозь толщу воздухопроницаемого ограждения при этом повышает его температуру. При эксфильтрации водяные пары будут одновременно перемещаться через ограждение под действием разности парциальных давлений и суммарной разницы полных давлений, создаваемых тепловым и ветровым напорами. Происходит совпадение диффузного и фильтрационного процессов переноса водяных паров через толщу ограждения. При эксфильтрации теплый увлажненный воздух помещения, проходя сквозь толщу ограждения, отдает часть содержащейся в нем влаги материалу, повышая его влажность. Следует отметить, что при эксфильтрации, при достаточно высокой влажности внутреннего воздуха линия распределения упругости водяного пара е рассчитанная по формуле (1.20) как правило оказывается выше чем максимальная упругость водяного пара, определенная в зависимости от температуры, чего в принципе быть не может (рис.2.2). Таким образом в плоскостях ограждения, где упругость водяного пара, определенная по формуле (1.20), оказывается выше максимальной упругости, в качестве расчетной упругости водяного пара принимается максимальная упругость водяного пара (еп - EJ.
На влажностный режим ограждающих конструкций в условиях экс-фильтации воздуха, как и в условиях инфильтрации, оказывают влияние три основных процесса влагопереноса: перемещение водяного пара экс фильтрующимся воздухом, диффузное перемещение водяного пара за счет разности его парциальных давлений в наружном и внутреннем воздухе, перемещение влаги в жидком виде в направлении от большей влажности материала к меньшей.
Для составления математической модели влажностного состояния ограждений выделим в сечении пористой стенки элементарный слой толщиной dx и составим для него баланс влаги по аналогии с -инфильтрационным процессом [57].
Количество водяного пара, внесенного эксфильтругощимся воздухом в элементарный слой dx за время dz , с учетом его удельной влагоемкости С„ равно Q W Ех: і dz , а унесенное из слоя Q W Ех dz . Разница потоков пара составляет: Диффузное перемещение пара зависит от градиента максимальных уп ругостеи водяного пара — при градиенте температур. Интенсивность по Разность количества пара, вошедшего в слой dx и вышедшего из него, составляет: Интенсивность потока жидкой влаги от большей влажности к меньшей определяется выражением [75]: За интервал времени dz в слое будет накапливаться влага в результате молярного переноса пара, молекулярной диффузии и переноса влаги капиллярной диффузией. Если в начальный момент времени количество влаги в слое толщиной dx составляло 10 pdx CD: , а к концу интервала времени 10 pdx со. , то разность составляет [57]: Уравнение материального баланса При подстановке в (2.7) уравнения (2.1), (2.3), (2.5) и (2.6) получим известное уравнение баланса влаги для ограждающих конструкций с учетом фильтрации (1.22). Для решения уравнения (1.22) методом конечных разностей для условий эксфильтрации рассмотрим механизм влагонакопления (рис.2.3), разбив стену на слои толщиной dx и обозначив индексами п-l: п; п+1... порядковые номера плоскостей, разграничивающих слои. Количество влаги притекающей к плоскости п+1 за счет эксфильтрации внутреннего воздуха с учетом его влагоемкости составляет Изменению подвергается только третье слагаемое, так как изменяется направление фильтрующегося воздуха, а упругость водяного пара принимается не максимальная, а действительная, т.е. упругость водяного пара может быть ниже максимальной (особенно у внутренней поверхности) и в этом случае будет наблюдаться только сорбционное увлажнение. Проведя аналогичные размышления определяются изменения влажности в слоях ограждения, граничащих с наружным и внутренним воздухом: где Еп.] ,Е„ и Еп+} - максимальные упругости водяного пара соответственно предыдущего рассматриваемого и следующего слоев, Па. Отличие формул (2.10 - 2.11) от (1.25 - 1.26) состоит также в изменении последнего слагаемого, учитывающего влияние фильтрующегося воздуха на влажностное состояние материала ограждения, т.е. молярный влагоперенос. Слагаемые, учитывающие влияние диффузного влагопереноса и перемещение влаги в жидком виде изменению не подвергаются. Формулы (2.9 - 2.11) будут давать верное решение только в случае увлажнения материала ограждения жидкой влагой, т.е. в тех слоях ограждений, где максимальная упругость водяного пара Е будет меньше упругости е рассчитанной по формулам (1.19, 1.20). В случае, когда Е будет больше ?, расчет влажностного режима следует выполнять для условий сорбшюнного увлажнения, так как в этом случае не будет наблюдаться конденсации влаги в порах материала.
Требуемые расходы воздуха через воздухопроницаемые ограждающие конструкции
Допустимый расход воздуха через воздухопроницаемые офаждающие конструкции определяется требованиями не только максимального проявления положительных эффектов поровой инфильтрации с обеспечением заданной температуры внутренней поверхности офаждения, работающего в условиях инфильтрации, но и требованиями максимального сокращения эксфильтрации как фактора увлажнения материала ограждения. Имея в виду, что осушающий эффект поровой инфильтрации начинает проявляться с расхода воздуха Wu 0,1 кг/м2ч, а реальные расходы воздуха из условия поддержания заданной температуры внутренней поверхности воздухопроницаемого ограждения могут изменяться в весьма широких пределах, в зависимости от температуры наружного воздуха, эти конструкции начинают совмещать в себе функции теплоза-щиты и воздухообмена помещений. Зависимость расхода инфильтрующегнося воздуха при заданных теплозащитных качествах воздухопроницаемого ограждения от наружных температур можно найти в явном виде из уравнения температуры внутренней поверхности пористой стенки при инфильтрации воздуха [73]:
Аналитическое выражение (3.3), отображающее взаимосвязь расхода инфильтрующегося воздуха и температуры наружного воздуха при обеспечении заданной температуры внутренней поверхности ограждения, можно представить в виде графической зависимости (рис.33). Из графика этой зависимости видно, что с ростом температуры наружного воздуха повышается величина допустимого расхода инфильтрующегося воздуха без нарушения теплового режима на внутренней поверхности ограждения. В соответствии с сезонным ходом температур наружного воздуха синхронно меняются реальные возможности воздухообмена помещений через воздухопроницаемые ограждающие конструкции, что, как правило, отвечает требованиям воздухообмена многих зданий.
Поддержание нормируемой температуры на внутренней поверхности воздухопроницаемого ограждения является основным критерием, определяющим предельно допустимый расход инфильтрующегося воздуха через ограждение. Определив температуру внутренней поверхности как тв„ =te-Af и предварительно задавшись значением нормируемого температурного перепада Af , можно определить максимальную величину расхода инфильтрующегося воздуха по формуле [20]:
Максимально допустимый расход воздуха через ограждение является той величиной, которая в наиболее холодные периоды эксплуатации ограждения при максимально возможных перепадах давлений воздуха Ар на оболочку здания позволяет определять расчетное значение сопротивления воздухопро-ницанию ограждающей конструкции
Однако при назначении сопротивления воздухопроницанию ограждающей конструкции, необходимо учитывать конструктивное решение ограждения и назначение помещения. Если в наиболее холодный и ветреный период эксплуатации ограждения существует возможность регулирования поступления холодного воздуха через ограждение в помещение или же незначительное понижение температуры внутренней поверхности ограждения не приведет к отрицательным последствиям, то значение R„ может назначаться с учетом этих обстоятельств и приниматься несколько ниже, чем по формуле (3-5).
В помещениях с пористыми вставками, расположенных непосредственно за отопительными приборами, критерием при назначении количества ин-фильтрующегося воздуха может являться требуемая кратность воздухообмена помещений, вентилируемых посредством воздухопроницаемых ограждающих конструкций.
Минимальный расход инфильтрующегося воздуха определяется из условия проявления осушающего эффекта поровой инфильтрации. Так как проявление осушающего эффекта начинает проявляться при Wu = 0,1 кг/м3ч, то эта величина и будет минимальной Wmin =0,1 кг/м2ч. Таким образом, реальные расходы инфильтрующегося воздуха через воздухопроницаемые ограждения могут составлять Wmin WU Wmax . Однако из условий максимального энергосбережения практический интерес представляет использование воздухопроницаемых ограждений, совмещающих функции теплозащиты и воздухообмена помещений при Wu = Wmea . В данных условиях в той или иной степени проявляются все положительные эффекты поровой инфильтрации.
В качестве примера выполним расчет требуемого сопротивления воздухопроницанию пористых вставок, встроенных в стены пятиэтажного жилого дома, построенного в г. Омске.
Экспериментальные исследования тепловлажностного режима ограждающих конструкций в условиях эксфильтрации воздуха
Второе вариант исследования проводился в аудитории первого этажа кафедры "Городское строительство и хозяйство" в феврале 2002 года. Под окном этой аудитории была установлена вентиляционная воздухопроницаемая вставка сечением 450 х 115 мм и длиной 420 мм, (рис. 4.2.-4.4). Корпус воздухопроницаемой вставки выполнен из пенополистирола толщиной 20 мм. Внутри этого корпуса находилось два выдвижных пенала выполненные также из пенополистирола толщиной 5 мм с заполнением синтепоном (рис. 4.3.). В толще синтепона одного из пеналов сечением 185 х 76 мм и длиной 360 мм были размещены хромель-копелевые термопары с шагом 60 мм для определения температур в толще воздухопроницаемого ограждения и на его поверхностях, которые подключались (рис. 4.3.) через переключатель к измерителю температур ЙТП-1. Во втором пенале сечением 195 х 76 мм и длиной 360 мм расположены шесть проб материала (синтепона) для определения влажности, которые предварительно были высушены до нулевой влажности. Для обеспечения необходимого перепада давлений между внутренней и наружной поверхностью использовался бытовой пылесос "Уралец", подключенный через лабораторный автотрансформатор ЛАТР-1 к сети. Выводной шланг от пылесоса подключался к герметичному коробу, выполненному из пенополистирола, который, в свою очередь, плотно крепился к устью воздухопроницаемой вставки через герметизирующую прокладку из резиновой ленты. Для фиксирования и контроля расхода эксфильтрующегося воздуха использовался газовый счетчик ГС-4. Дополнительное увлажнение воздуха, поступающего в воздухоприемное отверстие пылесоса осуществлялось путем подогревания воды в плоской емкости.
Запись значений температур наружного воздуха велась постоянно в течении всей продолжительности эксперимента (02.02.2002 г. — 06.02.2002 г.) с помощью термографа с биметаллическим датчиком температуры, который был установлен на расстоянии 0,3 м от наружной поверхности окна. Температура внутреннего воздуха, являющаяся величиной более постоянной чем температура наружного воздуха измерялась периодически посредством измерителя температур -ИТП-1 с хромель-копеле вым датчиком, который был установлен у воздухоприемного отверстия пы-лесоса. Влажность внутреннего воздуха, поступающего в воздухопроницаемую вставку, записывалась постоянно в течении всего эксперимента с помощью волосяного гигрографа, установленного также у воздухоприемного отверстия пылесоса. Непрерывный расход увлажненного внутреннего воздуха сквозь возду хопроницаемую вставку наружу осуществлялся с помощью пылесоса, под ключенного к сети переменного тока через лабораторный автотрансформатор при установленном напряжении U 30 В. Периодически записывались пока зания газового счетчика и измерителя температур, запись показаний термо графа и гигрографа велась непрерывно в течении всего эксперимента. Расчет влажности материала воздухопроницаемой конструкции выпол нялся как и в первом эксперименте в зависимости от изменения массы иссле дуемых образцов, которая определялась разностью между начальной массой (в сухом состоянии) и конечной (во влажном состоянии). В ходе эксперимента влажность образцов материала воздухопроницаемой вставки определялась дважды: через 96 часов после начала эксперимента (промежуточное взвешивание), и через 144 часа после начала эксперимента (окончательное взвешивание).
