Введение к работе
Актуальность проблемы.
Обеспечение требуемого теплового режима в помещениях жилых и общественных зданий необходимо для здоровья человека и создания оптимальных условий жизнедеятельности. При оценке теплового комфорта температура внутреннего воздуха в помещении зависит непосредственно от температуры внутренних поверхностей ограждающих конструкций здания.
Однако такие климатические факторы, как высокая температура наружного воздуха, жаркое продолжительное лето и значительная интенсивность солнечной радиации, присущие южным регионам России, приводят к перегреву ограждающих конструкций зданий.
Наиболее подвержены перегреву в теплый период года невентилируемые совмещенные крыши жилых и общественных зданий, в том числе детских дошкольных и общеобразовательных учреждений. В Волгоградской области около 60% зданий от общего фонда имеют данную конструкцию крыши. При этом перегрев внутренней поверхности совмещенной крыши значительно влияет на микроклимат в помещениях, в результате чего для поддержания комфортных условий вынуждены использовать системы кондиционирования воздуха и вентиляции.
Существенным недостатком метода расчета по СНиП ограждающих конструкций на теплоустойчивость является расхождение расчетных параметров с натурными данными. В реальных условиях эксплуатации зданий наблюдается перегрев внутренней поверхности ограждающей конструкции, который ведет к повышению температуры внутреннего воздуха в помещении выше допустимой по санитарно-гигиеническим требованиям.
Натурные исследования, проведенные автором диссертационной работы и другими учеными, показывают, что показатель тепловой инерции и амплитуда суточных колебаний температуры внутренней поверхности наружных ограждений не являются определяющими параметрами, обеспечивающими требуемую температуру внутренних поверхностей ограждающих конструкций и, соответственно, комфортную температуру воздуха в помещении.
Кроме того, ГОСТ 30494-96 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях», СанПиН 2.1.2.2645-10 «Санитарно- эпидемиологические требования к условиям проживания в жилых зданиях и помещениях» и СанПиН 2.2.4.548-96 «Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений» регламентируют не амплитуду колебаний внутренних поверхностей ограждений, а устанавливают гигиенические требования к температуре внутреннего воздуха в помещении, внутренних поверхностей ограждающих конструкций и результирующей температуре.
При проектировании зданий, в которых должны обеспечиваться требуемые параметры микроклимата, необходимо более точно учитывать влияние климатических воздействий, в частности, изменение интенсивности солнечной радиации в течение суток, на температурный режим различных конструктивных решений наружных ограждений. Для прогнозирования температурных режимов наружных ограждающих конструкций целесообразно использование современных надежных методов компьютерного программирования.
Исследования, направленные на обеспечение требуемых температурных параметров в существующих зданиях в теплый период года за счет повышения теплозащитных свойств ограждающих конструкций и разработку надежных методик численного компьютерного моделирования тепловых процессов в ограждении являются весьма актуальными на сегодняшний день.
Цель работы - разработка мероприятий по обеспечению требуемого теплового режима в помещениях существующих жилых и общественных зданий с невентилируемыми совмещенными крышами в теплый период года путем снижения радиационного нагрева наружной поверхности и повышения тепловой защиты данных конструкций и разработка методов расчета ограждающих конструкций на перегрев с учетом влияния солнечной радиации, обеспечивающих требуемые параметры внутреннего воздуха в помещении для вновь проектируемых зданий.
Для достижения поставленной цели в работе были решены следующие задачи:
проведен анализ существующих методов оценки тепловой устойчивости помещений и многослойных ограждающих конструкций;
выполнены натурные исследования теплового режима помещений и конструкции невентилируемой совмещенной крыши эксплуатируемого здания в теплый период года и произведена оценка соответствия параметров микроклимата действующим санитарно-гигиеническим требованиям и стандартам;
исследована интенсивность солнечной радиации в суточном цикле;
внесены уточнения в алгоритм расчета нестационарной теплопроводности многослойных конструкций на основе метода конечных разностей в части задания краевых условий;
разработана компьютерная программа расчета нестационарной теплопроводности ограждающих конструкций с учетом влияния изменения солнечной радиации в зависимости от времени суток;
проведено численное моделирование температурных режимов различных конструктивных решений невентилируемых совмещенных крыш с дополнительным теплоизоляционным слоем, в климатических условиях Волгоградской области, с целью определения оптимального варианта повышения теплозащитных свойств ограждающих конструкций;
проведен расчет теплопоступлений через конструкцию невентилируемой крыши в теплый период года и расхода тепловой энергии в течение отопительного периода;
разработан инженерный метод расчета ограждающих конструкций на перегрев в теплый период года с учетом влияния солнечной радиации, обеспечивающий требуемые параметры теплового режима в помещениях.
Методы исследования включали: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, экспериментальные и натурные исследования, физико-математическое моделирование изучаемых процессов, математическую обработку экспериментальных данных.
Научная новизна работы:
усовершенствован алгоритм расчета нестационарных температурных полей многослойных ограждений в части учета влияния климатических воздействий на горизонтальную ограждающую конструкцию от изменения интенсивности солнечной радиации в течение суток и температуры наружного воздуха;
установлена зависимость интенсивности солнечной радиации в заданный момент времени суток от измеренной максимальной интенсивности;
разработан программный продукт расчета температурного режима ограждающих конструкций «Teplosol 1.0», позволяющий прогнозировать тепловой режим в помещениях и ограждающих конструкциях в теплый период года при проектировании и реконструкции зданий (свидетельство о гос. регистрации программ для ЭВМ № 2013610364; № 2012660091; заявл. 21.11.2012; зарег. в Реестре программ для ЭВМ 09.01.2013 г.);
на основе численного моделирования определен оптимальный вариант повышения теплозащитных свойств невентилируемой совмещенной крыши исходя из условий обеспечения требуемой температуры внутренней поверхности ограждения, минимально допустимого сопротивления теплопередаче и снижения теплопоступлений через ограждающую конструкцию в помещение;
разработано светоотражающее теплоизоляционное покрытие (патент «Теплоизоляционное покрытие» № 118654 Рос. Федерация Е04В 1/76. №2012106531/03; заявл. 22.02.12; опубл. 27.07.2012, Бюл. №21), позволяющее снизить теплопоступления через невентилируемую крышу на 30% в теплый период года и снизить радиационный нагрев наружной поверхности ограждения на 15 - 20 С.
Практическое значение работы заключается в разработке инженерного метода расчета ограждающих конструкций на перегрев с учетом влияния интенсивности солнечной радиации в теплый период года и обеспечения допустимой температуры внутренней поверхности ограждения по санитарно-гигиеническим нормам и стандартам.
Разработанный метод расчета позволяет обеспечить требуемые параметры температурного режима в помещениях верхних этажей для вновь проектируемых жилых и общественных зданий, с целью сокращения расходов на системы вентиляции и кондиционирования воздуха в теплый период года.
Разработанный инженерный метод обладает новизной и рекомендуется использоваться при проверке ограждающих конструкций на теплоустойчивость в теплый период года совместно со стандартной методикой СНиП.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована применением классических положений теоретического анализа, моделированием изучаемых процессов, планированием необходимого объема экспериментов, подтверждена удовлетворяющей требуемым критериям сходимостью и оценкой надежности полученных результатов экспериментальных исследований, выполненных в натурных условиях.
Соответствие паспорту специальности 05.23.03 «Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение» диссертационной работы в части разработки научно-технических решений создания микроклимата в помещениях зданий, обеспечивающих требуемый температурный режим в помещениях, соответствующий санитарно-гигиеническим требованиям. Область исследований, проведенных в диссертации, соответствует п. 4 «Климатологическое обеспечение зданий и климатические воздействия» в части исследования влияния солнечной радиации на микроклимат в помещениях верхних этажей жилых и общественных зданий с невентилируемыми крышами совмещенного типа, а также п. 5 «Тепловой, воздушный и влажностный режимы зданий различного назначения, тепломассообмен в ограждениях» в части исследования теплового режима в помещениях зданий с невентилируемыми совмещенными крышами и разработки инженерного метода расчета ограждающих конструкций зданий на перегрев с учетом влияния солнечной радиации в теплый период года.
Внедрение результатов исследований.
методика расчета теплового режима многослойных конструкций зданий на перегрев в теплый период внедрены при проектировании жилого многоквартирного дома в ООО «Универсалпроект»;
рекомендации по повышению теплозащиты невентилируемых совмещенных крыш использованы при строительстве общественного здания в ООО ПКФ «КРОНТЕХ»;
материалы диссертационной работы использованы в учебном процессе кафедры «Архитектура» ВолгГАСУ при проведении практических и лабораторных занятий по курсу «Теплозащита ограждающих конструкций» для специальностей 270102 «Промышленное и гражданское строительство», 270301 «Архитектура».
На защиту выносятся:
результаты натурных исследований, характеризующие температурный режим в помещениях здания школы с конструкцией невентилируемой совмещенной крыши типовой серии 2Р-02-1 в теплый период года;
методика учета краевых условий изменения интенсивности солнечной радиации в течение суток и температуры наружного воздуха по натурным измерениям;
алгоритм и программный продукт «Teplosol 1.0», позволяющий проводить расчет температурных полей многослойных конструкций в течение заданного периода времени, определять температурный режим в помещениях в теплый период года с учетом влияния солнечной радиации в течение суток;
результаты численного моделирования по программе «Teplosol 1.0» температурных режимов конструктивных решений невентилируемых крыш с дополнительными теплоизоляционными слоями для повышения теплозащитных свойств ограждающих конструкций с целью обеспечения требуемой температуры внутренней поверхности;
инженерный метод расчета ограждающих конструкций на перегрев в теплый период года, обеспечивающий требуемые параметры микроклимата в помещениях.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на ежегодных научно-технических конференциях профессорско- преподавательского состава Волгоградского государственного архитектурно- строительного университета (Волгоград, 2010, 2011, 2012 г.г.), на XI Международной конференции «Качество внутреннего воздуха и окружающей среды» (Ханой, 2013 г.), на XII, XIX Международных конференциях «Технические науки - от теории к практике» (Новосибирск, 2012, 2013 г.г.), на XVIII Международной конференции «Инновации в науке» (Новосибирск, 2013 г.), на Межрегиональном форуме «Энергосбережение и энергоэффективность. Волгоград - 2013» (Волгоград, 2013 г.).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 18 научных работ, из них по теме диссертационной работы 10 работ, в том числе 2 статьи опубликованы в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, включенных в список ВАК РФ, 1 патент на полезную модель и 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка и приложений. Общий объем работы 153 страниц, в том числе: 127 страниц - основной текст, содержащий 10 таблиц на 12 страницах, 35 рисунков на 31 странице; библиографический список из 192 наименований на 18 страницах, 2 приложения на 6 страницах, документация на 2 страницах.
