Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Краткий обзор работ. Задачи исследований 13
Глава II. Исследование процессов тепломассопереноса в фрагментах неоднородных ограждающих конструкций 34
2.1. Описание установки 34
2.2. Аппаратура и оборудование 37
2.3. Определение температур и тепловых потоков 40
2.4. Методика расчета теплопереноса через ограждающие конструкции 54
2.5. Расчет теплопереноса через ограждающие конструкции 60
2.6. Определение влажностного режима конструкций 71
Глава III. Перенос теплоты через светопрозрачные ограждающие конструкции 91
3.1. Оценка температурного режима в области сопряжения оконного блока и ограждающей конструкции 91
3.2 Описание установки 101
3.3. Аппаратура и оборудование 105
3.4. Проведение измерений 107
3.5. Расчетная схема процессов теплообмена в светопрозрачной конструкции 108
3.6. Сравнение экспериментальных и расчетных данных 116
Глава IV. Перенос теплоты через ограждающие конструкции с металлическими включениями 122
4.1. Коэффициент теплотехнической неоднородности. 122
4.2. Существующие методы исследования неоднородных конструкций с металлическими элементами 123
4.3. Исследование процесса теплопереноса внутри конструкции с металлическими ребрами 128
Выводы 140
Литература 141
Приложения 153
- Определение температур и тепловых потоков
- Определение влажностного режима конструкций
- Оценка температурного режима в области сопряжения оконного блока и ограждающей конструкции
- Исследование процесса теплопереноса внутри конструкции с металлическими ребрами
Введение к работе
Актуальность темы. В последние годы в России принят ряд нормативных документов, значительно ужесточающих требования к тепловой защите и энергоэффективности гражданских зданий.
Важнейшими государственными документами в сфере энергосбережения в России являются Закон РФ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации», Указ Президента РФ от 4 июня 2008 г. № 889 «О некоторых мерах по повышению энергетической и экологической эффективности российской экономики» и утвержденная распоряжением Правительства РФ №1234-р от 28 августа 2003 г. «Энергетическая стратегия России на период до 2020 года».
В связи с проведением энергосберегающих мероприятий в строительстве осуществляется переход к новым эффективным ограждающим конструкциям, отвечающим по теплотехническим характеристикам требованиям современных норм.
Однако соблюдение требований к сопротивлению теплопередаче наружных стен зданий при применении однослойных и однородных конструкций становится практически невозможным, поэтому возникает необходимость в разработке новых технических решений неоднородных наружных ограждений, обладающих повышенными теплозащитными свойствами и содержащих воздушные прослойки различной конфигурации, утепляющие вставки и прочие неоднородные элементы. В таких конструкциях широко применяются и различные металлические теплопроводные включения (гибкие связи, коннекторы, ребра, профили различной конфигурации и др.), что оказывает значительное влияние на величину и характер тепловых потерь.
Наиболее сложно в современных зданиях обеспечить энергоэффективность светопрозрачных конструкций. Термические сопротивления оконных конструкций в несколько раз ниже, чем стен зданий, что приводит к повышенным тепловым потерям через окна в зимний период времени. Помимо этого, в холодный период времени из-за низкой температуры внутреннего остекления существенно понижается комфортность в помещениях.
Для создания более совершенных строительных конструкций с повышенными теплозащитными свойствами необходимо накопление достаточно полной и достоверной информации о процессах переноса теплоты в неоднородных наружных стенах зданий и сооружений.
Целью настоящей работы является моделирование тепловлажностных режимов в ограждающих конструкциях с повышенными теплозащитными свойствами.
Задачи исследования:
1. Разработать математическую модель для расчета полей температур и тепловых потоков в неоднородных стеновых конструкциях.
-
Экспериментальным путем определить эквивалентный коэффициент теплопроводности для различных типов неоднородных стеновых конструкций.
-
Разработать методику расчета тепловлажностного режима пустотелых стеновых конструкций.
-
Провести исследование численными методами образования конденсата в воздушных полостях и определить годовой баланс влагосодержания.
-
Расчетным и экспериментальным путем определить температурные поля сопряженных мест оконных блоков и стеновых конструкций.
6. Разработать математическую модель, описывающую температурные
поля в неоднородных стеновых конструкциях с металлическими включениями.
Методы исследования - физико-математическое моделирование изучаемых процессов, экспериментальные исследования стеновых конструкций и оконных блоков в двух климатических камерах различной конструкции.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована применением классических положений теории тепломассопереноса, моделирования изучаемых процессов, подтверждением удовлетворительной сходимости данных расчетов с полученными результатами экспериментальных исследований.
Научная новизна работы:
-
Разработанная математическая модель для определения температурных полей и тепловых потоков основана, в отличие от известных, на совместном использовании численного метода и эквивалентного коэффициента теплопроводности.
-
По результатам экспериментов получены новые аналитические зависимости для определения эквивалентного коэффициента теплопроводности для различных типов неоднородных стеновых конструкций.
-
Впервые на основе метода Фокина-Власова разработана методика расчета тепловлажностного режима пустотелых стеновых конструкций с повышенными теплозащитными свойствами.
-
При исследовании тепловлажностного режима пустотелых стеновых конструкций показано, что образующийся в зимний период конденсат полностью испаряется в весенне-летний период.
-
Впервые с использованием программы «ELCUT» определены температурные поля сопряженных мест оконных блоков и стеновых конструкций для различных типов монтажных швов, показана возможность расчета теплообмена в светопрозрачных конструкциях как одномерной задачи.
-
Разработана новая математическая модель для определения коэффициента теплотехнической однородности стеновых конструкций с металлическими включениями, основанная на методе конформного отображения и позволяющая перейти от неоднородной стенки к однородной.
Практическая значимость работы и реализация результатов. Результаты диссертационной работы использованы при проектировании и теплотехнических расчетах ограждающих конструкций в ООО «Инженерно-строительная компания» (г. Ростов-на-Дону) и 000 Инженерный центр «Интеллект» (г. Ростов-на-Дону).
На защиту выносятся:
-
Новая математическая модель теплообмена для неоднородных стеновых конструкций, содержащих воздушные полости.
-
Аналитические зависимости для определения эквивалентного коэффициента теплопроводности для различных типов неоднородных стеновых конструкций.
-
Методика расчета тепловлажностного режима пустотелых стеновых конструкций с повышенными теплозащитными свойствами.
-
Результаты исследований образования конденсата и его испарения в пустотелых стеновых конструкциях.
-
Расчетное и экспериментальное определение температурных полей сопряженных мест оконных блоков и стеновых конструкций.
-
Математическая модель, основанная на методе конформного отображения, для определения коэффициента теплотехнической однородности стеновых конструкций с металлическими включениями.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы обсуждались на международных научно-практических конференциях «Строительство-2005», «Строительство-2006», «Строительство-2007», «Строительство-2008», «Строительство-2009», «Строительство-2010» (г. Ростов-на-Дону, 2005-2010 гг.).
Публикации. Основные результаты работы были опубликованы в 16 научных статьях общим объемом 38 стр., из них лично автору принадлежит 18 стр. Три статьи опубликованы в изданиях, включенных в перечень ВАК РФ («Известия высших учебных заведений. Строительство» «Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Строительство и архитектура»). В статьях, опубликованных в рекомендованных ВАК изданиях, изложены основные результаты диссертации: в работе [1] проведены результаты исследования трех образцов неоднородных стеновых конструкций; работа [2] посвящена исследованию теплообмена в светопрозрачных конструкциях; в работе [3] показано влияние металлических элементов на тепловой режим конструкций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы и приложения. Диссертация изложена на 176 страницах машинописного текста и содержит 54 рисунка, 11 таблиц, список литературы из 126 наименований, а также 11 приложений.
Определение температур и тепловых потоков
Ниже представлены результаты исследования стационарного теплообмена в пустотелых фибропенобетонных блоках. Испытанные блоки изготовлены из фибропенобетона плотностью 843 кг/м3.
Исследуемый фрагмент выполнен из двух пустотелых фибропенобетонных блоков, склеенных по большему размеру клеем ПВА.
Перед сборкой фрагмента сначала на внутренних поверхностях сквозных пустот с помощью синтетического клея «Супер-Момент» были зафиксированы 6 «теплых» спаев термопар. Для этого один из блоков был разрезан по плоскостям установки термопар. После их закрепления вырезанная часть блока была установлена на место с помощью клея ПВА. Спаи термопар на рабочих поверхностях фрагмента были закреплены также с помощью клея «Супер-Момент», а отходящие от них изолированные провода были дополнительно закреплены механически на расстоянии 150 мм от точек расположения спаев. «Нулевые» спаи термопар помещены в сосуд Дьюара, в котором находились одновременно пар, вода и лед дистиллированной воды.
Схема установки датчиков измерителей тепловых потоков и термопар приведена на рис. 2.3.
Выведенные концы проводов термопар присоединены к распределительным колодкам многоточечных лепестковых переключателей, имеющих выход на милливольтметр.
Датчики тепломеров установлены в соответствующих местах со стороны «теплой» камеры с помощью прижимной планки и инвентарных пружин. Для обеспечения надежного контакта с поверхностью фрагмента контактирующие плоскость датчиков смазаны тонким слоем консистентной смазки.
На рис. 2.4 и 2.5 представлен вид установки с установленным фрагментом фибропенобетонного блока.
При проведении измерений в «холодной» и «теплой» камерах поддерживалась температура воздуха минус (22±1)С и плюс (18±1)С соответственно. Температуру и плотность тепловых потоков измеряли в течение всего периода испытания» с интервалом Г,5 ч. Результаты этих измерений представлены в приложении 1. После того, как в фрагменте установился стационарный- тепловой режим, произведено 10 измерений температур и плотности тепловых потоков с интервалом 1,5 ч. Результаты этих измерений приведены в приложении 2.
Для каждой термопары и каждого тепломера были вычислены средние арифметические значения показаний последних десяти измерений. Затем были определены средние арифметические значения температур на рабочих гранях фрагмента со стороны «холодной» и «теплой» камер.
В расчете средней арифметической температуры на поверхности фрагмента со стороны «холодной» камеры приняты средние арифметические значения по термопарам №1, 2, 3, 4, 5 и 6; со стороны «теплой» камеры - значения по термопарам №11, 12, 13, 14, 15 и 16 (приложение 2).
Среднее значение плотности теплового потока, проходящего через фрагмент, вычислено по среднеарифметическим значениям теплового потока по четырем датчикам тепломеров (приложение 2).
Ниже представлены результаты исследования стационарного теплообмена в пустотелом керамзитобетонном стеновом камне, КС ПСЛ по ГОСТ 6133-99, производимом на технологической линии ОАО «АксайСтройПром».
Испытанный пустотелый керамзитобетонний стеновой камень КС ПСЛ имеет среднюю, плотность (брутто) 1000 кг/м3.
Исследуемый фрагмент был выполнен в виде кладки толщиной в один камень на цементном клее.
После затвердевания клея в кладке рабочие грани фрагмента (со стороны «теплой» и «холодной» камер испытательноа установки) і были прошпатлеваны гипсовой шпатлевкой слоем толщиной 2-3 мм.
После нанесения шпатлевки фрагмент выдержан в помещении лаборатории-в-течение двух недель, что достаточно для затвердевания и высыхания гипсовой шпатлевки:
Для- измерения- температур рабочих граней фрагмента были установлены хромель-копелевые термопары (ХК) на двух ложковых и трех тычковых гранях камней с каждой стороны фрагмента. Кроме основных в местах возможных теплопроводных включений установлены дополнительно по четыре термопары на каждой рабочей грани фрагмента, а также по одной термопаре на расстоянии 100 мм от граней фрагмента для измерения температуры воздуха. Схема установки термопар показана на рис. 2.6.
Спаи термопар на гранях фрагмента закреплены клеем «Супер-Момент», а отходящие от них провода - с помощью накладных полимерных пластинок шириной 0,8 см и толщиной 0,4 мм, приклеенных к фрагменту тем же клеем. Выведенные наружу камер провода термопар присоединены к колодкам двух 10-ти точечных лепестковых переключателей, имеющих выход на милливольтметр. Датчик тепломера установлен на грани фрагмента со стороны «теплой» камеры с помощью инвентарной пружины. Для обеспечения надежного контакта рабочая плоскость датчика смазана тонким слоем консистентной смазки.
При проведении испытаний в «холодной» и «теплой» камерах установки поддерживалась температура воздуха минус (22±1) С и плюс (20±1) С соответственно. В связи с тем, что температура воздуха в помещении лаборатории на начало испытания была выше 20 С, режимная температура в «теплой» камере была достигнута только после 24 часов работы установки.
Температуру и плотность теплового потока измеряли в течение всего времени испытания (123 ч) с интервалом 3 ч. Эти измерения проводились через 5-7 мин после отключения вентиляторов и тепловых агрегатов (компрессора и нагревателя),с целью исключения их влияния на изменяемые величины. Результаты этих измерений приведены в приложении 3.
После того, как во фрагменте установился стационарный тепловой режим, произведено 10 измерений температур и плотностей тепловых потоков с интервалом 3 ч. Результаты этих измерений приведены в приложении 4.
Для тепломера и каждой термопары были определены средние арифметические значения показаний плотностей тепловых потоков и температур за период 10 последних наблюдений (q,) и (tj), где і - номер термопары.
Определение влажностного режима конструкций
Диффундирующий через ограждение водяной пар внутри конструкции понижает свое парциальное давление, встречая на своем пути более холодные слои ограждения. В некоторых случаях падение парциального давления водяного пара и падение температуры в ограждении будут идти в такой последовательности, что конденсации влаги в толще ограждения не будет. В других же случаях, когда падение температуры в ограждении будет более интенсивным, чем падение парциального давления водяного пара, могут создаться условия, вызывающие конденсацию водяного пара в толще ограждения.
Для расчета влажностного режима исследуемых ограждающих конструкций использовался метод Фокина-Власова.
Климатические параметры были приняты для района строительства -г. Ростов-на-Дону.
Влажностный режим рассматривался дифференцированно по периодам года: к зимнему периоду относятся месяцы со средней температурой наружного воздуха ниже минус 5С, к весеннее-осеннему периоду относятся месяцы со среднемесячными температурами наружного воздуха в пределах от минус 5С до плюс 5С, к летнему периоду - со среднемесячными температурами выше плюс 5С.
Климатические параметры приведены в таблице 2.1.
Температура внутреннего воздуха tB, С, и относительная влажность внутреннего воздуха (рв, %, принимались соответственно равными: tB = 20 С, рв = 55 %.
Проверка возможности конденсации проводится- следующим способом. Сущность метода заключается в следующем:
1. Рассматриваемая- конструкция разбивается на необходимое количество слоев. По оси абсцисс в принятом масштабе откладываются последовательно сопротивления паропроницанию всех слоев- конструкции Rvp
2. По оси ординат в выбранном масштабе на внутренней поверхности ограждения откладывается значение ев, а на наружной поверхности откладывается среднее значение парциального давления водяного пара за рассматриваемый период года ен. Прямая линия, соединяющая ев и ен, график изменения парциального давления водяного пара по сечению ограждения без учета возможной конденсации.
3. Строится график изменения максимально возможного давления водяного пара Е для рассматриваемого периода.
4. Проводится анализ взаимного расположения графиков Е и ев - еп.
Если графики не пересекаются, то конденсация водяного пара в ограждении отсутствует; в случае пересечения или касания графиков в конструкции возможна конденсация влаги.
5. Построения выполняются отдельно для летнего и весенне-осеннего периодов года. Для построения графика изменения парциального давления водяного пара в конструкции используются средние значения за летний период и весенне-осенний период.
6. В случае конденсации влаги определяется плоскость или зона конденсации. Для этого из концов прямой ев - еп проводятся касательные к графику Е. Область между точками касания Е и Е" - зона конденсации. При совпадении точек касания получается плоскость конденсации.
Затем проводится итоговый график изменения парциального давления с учетом конденсации водяного пара.
7. Зона конденсации влаги, появившаяся в период влагонакопления, переносится на график, соответствующий периоду без, конденсации влаги в ограждении. В этот период происходит испарение накопившейся влаги. Проводится итоговый график изменения парциального давления.
8. На графиках стрелками указывают направление движения влаги G и СУ" соответственно к зоне или от зоны конденсации - в сторону уменьшения парциального давления водяного пара.
Если конденсация влаги отсутствует в течение года, влажностный режим ограждающей конструкции считается удовлетворительным, и далее расчет не проводится.
Оценка температурного режима в области сопряжения оконного блока и ограждающей конструкции
Исследование температурного режима узлов примыкания оконных блоков к стеновым проемам было выполнено, следуя рекомендациям [101] для различных типов стеновых конструкций:
1. Кирпичная кладка из сплошного кирпича на цементно-песчаном растворе.
2. Ограждение состоящие из кладки в Vi кирпича и фибропенобетонного блока разделенных воздушной прослойкой.
В качестве заполнения оконного блока использовался однокамерный стеклопакет установленный в оконный деревянный блок одинарной конструкции [ 102].
В виду большого разнообразия применяемых конструктивных решений, рассматривались два вида монтажных швов узлов примыкания оконного блока и ограждения, выполненных согласно рекомендациям [101]: с утеплителем и-без утеплителя.
Общий вид( конструкций с первым вариантом монтажного шва приведен на рис. 3.1 и рис. 3.2.
Конструкции со вторым вариантом монтажного шва показаны на рис. 3.3 ирис. 3.4.
Для расчета использовалась программа «ELCUT»: инженерная система моделирования двумерных тепловых полей при помощи метода конечных элементов. Последовательность расчета заключается в следующем: создается геометрическая модель, задаются свойства материалов и граничные условия, строится сетка конечных элементов и выполняется расчет с последующим выводом полученных результатов на экран с возможностью дальнейшего анализа.
Температуры воздуха для расчета были приняты равными экспериментальным температурам, приведенным далее. Коэффициенты теплоотдачи, термические сопротивления стекол и воздушной прослойки принимались согласно [1] и [2]. Коэффициенты теплоотдачи составляли: на внутренней поверхности стекла - 8,0 Вт/(м2К), на внутренней поверхности стены - 8,7 Вт/(м2К), коэффициент теплоотдачи на наружных поверхностях стекла и стены - 23 Вт/(м"К).
На рис. 3.5 представлены результаты расчета температурных полей для двух вариантов монтажного шва узла примыкания оконного блока и кирпичной кладки из сплошного кирпича.
На рис. 3.6 представлены результаты расчета температурных полей для сопряжения оконного- блока и кладки в Ут. кирпича и фибропенобетонного блока разделенных воздушной прослойкой.
Так же был выполнен расчет распределения температурных полей для оконного блока без стеновой конструкции. Анализ расчетных данных- для оконных блоков и сопряжения- оконных блоков и стеновых конструкций приведен на рис. 3.7. согласно полученным данным температуры отличаются только; для краевой части остекления на незначительном расстоянии от начала стекла.
Анализ расчетных данных для оконных блоков и сопряжения, оконных блоков-со стеновыми конструкциями.позволили установить следующее. Для обоих вариантов сопряжения средняя температура внутреннего стекла составляет 5,1 С, средняя плотность теплового потока 122,8 Вт/м2. Для однокамерного стеклопакета средняя температура внутреннего стекла 5С, средняя плотность теплового потока 123,3 Вт/м2. Различие температур для сопряжения оконного блока со стеновой конструкцией и оконного блока равно 2%.
Полученные данные позволяют сделать выводы о правомерности допущения позволяющего производить расчет остекления без учета поправок на примыкание стеновых конструкций и считать задачу одномерной.
Аналогично выполнен расчет для образца II оконного блока при других параметрах воздуха, результаты приведены в Приложении.9.
Исследование процесса теплопереноса внутри конструкции с металлическими ребрами
В качестве одного из примеров было выполнено исследование влияния металлических ребер внутри плоской стенки на процесс теплопередачи.
Для исследования была выбрана модель основанная на конструкциях сэндвич-панелей поэлементной сборки производства компании "Металлпрофиль" предназначенных для тепловой изоляции стеновых и кровельных конструкций [115]. Вид конструкции состоящей из сэндвич-панелей приведен на рис. 4.4. Аналогичные конструкции представлены в источнике [116].
Для анализа теплового состояния конструкции использовался метод конформных отображений.
Конформные отображения связаны с теорией функций комплексного переменного и1 представляют собой удобный математический аппарат для решения широкого круга физических задач.
Теория конформных отображений и их практическое применение подробно излагаются в работах [117, 118, 119, 120, 121, 122].
В работе [123] основное внимание уделено практическим приемам нахождения отображающих функций и приведен каталог часто применяемых конформных отображений.
Работа [124] рассматривает применение конформных отображений к задачам физики с использованием пакета математических программ на ЭВМ.
В настоящем параграфе показано влияние металлических ребер внутри плоской стенки1 толщиной Н на процесс теплопередачи в моделях оребренных конструкций рассмотренной выше.
Предполагается, что тонкие металлические ребра, обладают высокой теплопроводностью и і имеют небольшую высоту h, поэтому можно считать, что их температура одинакова с температурой металлических листов, которыми обшита стенка (ребра прикреплены к этим листам). Пространство между этой обшивкой и ребрами заполнено теплоизоляционным материалом с коэффициентом теплопроводности Л. Известны температуры окружающей среды t\ и поверхности стенки со стороны ребер t2.
На рис.4.5 показаны изотермы и линии теплового тока внутри оребренной стенки.
Тогда задача теплопереноса должна решаться с граничными условиями первого1 рода, когда на поверхностях неоднородной стенки толщиной L поддерживаются постоянные температуры txnt2.
Одним из эффективных методов решений стационарных задач теплопроводности является метод конформного отображения. Основная проблема теорем конформного отображения заключается в следующем.
Заданы области Ои D ; требуется построить функцию, осуществляющую конформное отображение одной из этих областей на другую [126].
Функция, переводящая оребренную плоскую стенку на однородную, (рис. 4.6), имеет вид [126]
Таким образом, уравнения (4.13) и (4.14) позволяют оценить тепловые режимы оребренной стенки в сравнении с гладкой в зависимости от высоты ребер h и расстояния между ними - а.
Следует отметить, что предложенная математическая модель предоставляет возможность оценки геометрических параметров конструкции что позволяет найти оптимальное конструктивное решение с учетом оптимизации тепловых режимов конструкции.
Рассмотрим один из частных случаев.
Данные для расчета
Конструкция длиной 0,5 м и шириной 1 м, с толщиной изоляции L = 0,20 м. Коэффициент теплопроводности изоляционного слоя X— 0,07Вт/м-С.
