Содержание к диссертации
введение 6
ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 24
1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТРОЙНОГО
ОСТЕКЛЕНИЯ С ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЯМИ В МЕЖСТЕКОЛЬНОЙ
ВОЗДУШНОЙ ПРОСЛОЙКЕ 28
1 Л. ВВЕДЕНИЕ 28
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ СТЕНД ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СВЕТОПРОЗРАЧНЫХ КОНСТРУКЦИЙ 31
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЯ В МЕЖСТЕКОЛЬНОМ ПРОСТРАНСТВЕ
НА ТЕПЛОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРОЙНОГО ОСТЕКЛЕНИЯ 36
1.4. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 43
2. ТРЕХСЛОЙНОЕ ОСТЕКЛЕНИЕ С ВЕНТИЛЯЦИЕЙ ВНУТРЕННЕЙ
МЕЖСТЕКОЛЬНОЙ ПРОСЛОЙКИ ВОЗДУХОМ ПОМЕЩЕНИЯ 44
2.1. ОБЗОР РАБОТ ПО ВЕНТИЛИРУЕМЫМ ОКНАМ 44
Введение 44
Способы вентилирования межстекольных прослоек окон 45
Основные тепловые параметры вентилируемых окон 48
Методы теплотехнических расчетов вентилируемых окон 51
Основные выводы и задачи исследования 55
2.2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ
ХАРАКТЕРИСТИК ВЕНТИЛИРУЕМЫХ ОКОН 57
Рабочий участок 57
Влияние геометрических и динамических параметров течения в межстекольной прослойке на тепловые характеристики вентилируемых окон при нижней подаче воздуха 58
Экспериментальное исследование тепловых характеристик вентилируемых окон при верхней подаче воздуха 66
Естественная вентиляция межстекольной прослойки
окна с тройным остеклением 70
2.3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА
В ВЕНТИЛИРУЕМОМ ОКНЕ С ТРОЙНЫМ ОСТЕКЛЕНИЕМ 73
2.3.1. Математическое моделирование теплообмена
окна с тройным остеклением 75
Постановка задачи. Тестирование программы расчета 75
Расчет тепловых и динамических параметров
течения в воздушных прослойках тройного остекления 80
2.3.2. Расчет тепловых и динамических параметров воздушных
прослоек вентилируемого окна с тройным остеклением 86
2.3.3. Сравнение результатов расчетов и экспериментов
для вентилируемых окон 91
2.4. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ
ИССЛЕДОВАНИЯ ВЕНТИЛИРУЕМЫХ ОКОН 96
3. ОКОННЫЕ ЭКРАНЫ И ЖАЛЮЗИ
С ТЕПЛООТРАЖАЮЩИМИ ПОКРЫТИЯМИ 98
3.1.ТЕПЛООТР АЖАЮЩИЕ ПОКРЫТИЯ 98
Введение 98
Теплоотражающие покрытия на поверхности стекол 98
3.1.2.1. Теплоотражающие покрытия типа "off-line"
на поверхности стекла 100
3.1.2.2. Теплоотражающие покрытия типа " on-line"
на поверхности стекла 103
3.1.3. Пленки с теплоотражающими покрытиями 107
3.1.4 Выводы по обзору и постановка задачи исследования 108
3.2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭКРАНОВ
И ЖАЛЮЗИ С ТЕПЛООТРАЖАЮЩИМИ ПОКРЫТИЯМИ 110
3.2.1. Внутренние вертикальные жалюзи
с теплоотражающими покрытиями 110
3.2.2. Определение теплозащитных характеристик остекления при
использовании межрамных экранов и жалюзи с теплоотражающими
покрытиями 112
Выбор состава покрытий, материалов экранов и жалюзи 112
Рабочий участок и условия проведения экспериментов 114
Теплозащитные характеристики трехслойного
остекления с экранами 116
3.2.2.4. Теплозащитные характеристики трехслойного
остекления с жалюзи 118
3.2.3. Обобщение результатов исследования тепловых
характеристик тройного остекления с межрамными экранами
и жалюзи с теплозащитными покрытиями 122
3.3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОЗАЩИТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
ЭКРАНОВ И ЖАЛЮЗИ С ТЕПЛООТРАЖАЮЩИМИ
ПОКРЫТИЯМИ В НАТУРНЫХ УСЛОВИЯХ 124
3.3.1. Межрамные экраны и жалюзи с теплоотражающими
покрытиями 124
3.3.2. Внутренние экраны с теплоотражающими покрытиями 127
3.4. ВЫВОДЫ ПО РЕЗУЛЬТАТАТАМ ИСПЫТАНИЙ
ЭКРАНОВ И ЖАЛЮЗИ С ТЕПЛООТРАЖАЮЩИМИ
ПОКРЫТИЯМИ В ОКОННЫХ КОНСТРУКЦИЯХ 134
4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОЗАЩИТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
ТЕПЛОИНЕРЦИОННЫХ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ 135
ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОЗАЩИТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК НЕПРОЗРАЧНЫХ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ЗДАНИЙ 135
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ В ТЕПЛОИНЕРЦИОННЫХ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЯХ 142
4.2.1. Однородные стены 142
Постановка задачи 142
Анализ результатов расчетов 145
Резкое изменение температуры наружного воздуха 145
Циклические колебания температуры воздуха 153
4.2.2. Двухслойные стены 157
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОЗАЩИТНЫХ СВОЙСТВ ТЕПЛОИНЕРЦИОННЫХ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ 163
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 172
5. ВЛИЯНИЕ ВЛАЖНОСТИ И ТЕМПЕРАТУРЫ НА
ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ГАЗОБЕТОНА 173
5.1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
КОЭФФИЦИЕНТОВ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ МАТЕРИАЛОВ 173
Стационарные методы 174
Нестационарные методы 175
5.2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ГАЗОБЕТОНА ПРИ ЕГО УВЛАЖНЕНИИ 178
5.2.1. Метод измерения 178
Экспериментальный стенд и тестовые измерения 180
Влияние сорбционного увлажнения автоклавного
газобетона на его теплопроводность 183
5.2.5. Теплопроводность газобетона повышенной влажности 187
5.3. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ 190
6. ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ВЛАГОПЕРЕНОСА В
ГАЗОБЕТОНЕ 192
6.1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ 193
6.1.1. Расчетные методы влагопереноса в пористых
строительных материалах 193
6.1.2. Экспериментальные методы исследования
влагопереноса в пористых строительных материалах 196
6.1.3. Основные цели и задачи исследования 200
6.2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
ВЛАГОПЕРЕНОСА В ГАЗОБЕТОНЕ 202
Введение 202
Структура, изотерма сорбции и паропроницаемость автоклавного газобетона 203
Экспериментальное исследование влагопереноса
в изотермических условиях 208
Метод гамма-просвечивания для определения влажности материала 208
Экспериментальный стенд 209
Результаты экспериментальных исследований 211
Капиллярная пропитка 211
Сорбционное увлажнение 213
6.2.3.4. Определение коэффициента диффузии влаги 213
6.2.4. Экспериментальное исследование влагопереноса
в неизотермических условиях 219
6.2.4.1. Экспериментальный стенд для исследования
влагопереноса в неизотермических условиях 219
6.2.4.2. Экспериментальные результаты исследования
неизотермического влагопереноса : 220
6.3. РАСЧЕТЫ ПРОЦЕССОВ ВЛАГОПЕРЕНОСА В ГАЗОБЕТОНЕ 224
Описание модели расчета.... 226
Верификация расчетной модели 228
Расчет влияния пароизоляции на влагопоглощение газобетона 232
6.4. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 237
7. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ
ОСНОВНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА РАБОТУ
ПОКВАРТИРНЫХ РЕГИСТРАТОРОВ РАСХОДА ТЕПЛА 239
ВВЕДЕНИЕ В ПРОБЛЕМУ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 239
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ СТЕНД 241
РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ПО ПОВЕРХНОСТИ РАДИАТОРА ПРИ ВЕРХНЕЙ ПОДАЧЕ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ 243
РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ПО ПОВЕРХНОСТИ РАДИАТОРА ПРИ НИЖНЕЙ ПОДАЧЕ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ 246
РАДИАТОРНЫЕ КОЭФФИЦИЕНТЫ И ИХ ЗАВИСИМОСТЬ
ОТ ФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ 248
7.6. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 254
8. ДИСКОВЫЕ ВРАЩАЮЩИЕСЯ ТЕПЛООБМЕННИКИ ДЛЯ
УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛА ВЕНТИЛЯЦИОННОГО ВОЗДУХА 255
ВВЕДЕНИЕ 255
ТЕПЛООБМЕННИКИ ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛА ВЕНТИЛЯЦИОННОГО ВОЗДУХА 256
8.2.1. Пластинчатые рекуператоры 257
Теплоутилизаторы роторного типа 259
Рекуператоры на тепловых трубах 261
Теплообменники с промежуточным теплоносителем 262
8.3. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИСКОВЫХ
РОТОРНЫХ ТЕПЛООБМЕННИКОВ 264
8.4. РАСЧЁТ ДИСКОВЫХ ВРАЩАЮЩИХСЯ ТЕПЛООБМЕННИКОВ .265
Тепловая эффективность 266
Коэффициенты теплоотдачи 269
8.4.2.1. Ламинарный пограничный слой 269
8.4.2.2.Турбулентный пограничный слой 271
8.4.3. Определение влияния материала и толщины дисков на работу
дискового роторного теплообменника 271
8.5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИСКОВЫХ
ВЕНТИЛЯТОРОВ РЕГЕНЕРАТОРОВ ТЕПЛА ВЕНТИЛЯЦИОННОГО
ВОЗДУХА 278
Одноступенчатый дисковый вентилятор-регенератор тепла вентиляционного воздуха 278
Двухступенчатый однороторный дисковый вентилятор-регенератор тепла вентиляционного воздуха 284
8.6. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ 290
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 292
ЛИТЕРАТУРА 296
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 317
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 324
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 337
Введение к работе
Актуальность работы. Для жизнеобеспечения современной цивилизации необходимы энергетические ресурсы. Все энергетические ресурсы делятся на возобновляемые и невозобновляемые. В настоящее время человечество, в основном, для удовлетворения энергетических потребностей использует невозобновляемые ресурсы, к ним относятся газ, нефть, уголь. С каждым годом потребность в энергетических ресурсах увеличивается, а их запасы достаточно быстро иссякают, при этом сложность их добычи и соответственно стоимость все возрастают. Поэтому экономия энергоресурсов для большинства стран становится одной из самых актуальных задач.
В России на энергопотребление зданий уходит около 43 % всей вырабатываемой тепловой энергии [1]. Всего же в нашей стране строительная отрасль вместе с жилищно-коммунальным сектором потребляют до 55 % всех энергетических ресурсов [2]. Вопросы ресурсо- и энергосбережения в современной России рассматриваются в качестве одного из основных направлений технической политики в строительной области [3, 4].
Однако в современных зданиях помимо проблемы экономии энергетических ресурсов важными являются и вопросы комфортности. Поэтому, начиная с середины 90-х годов прошлого века, под энергоэффективными зданиями начинают рассматривать такие здания, которые наряду с минимальным расходом энергии обеспечивают высокое качество внутреннего микроклимата [5].
В диссертационной работе понятие энергоэффективного здания
рассматривается как комплексный показатель, который обеспечивается
энергоэффективностью ограждающих конструкций здания и
энергоэффективностыо инженерного оборудования, включая системы отопления и вентиляции.
Наиболее сложно в современных зданиях обеспечить
энергоэффективность свегопрозрачных конструкций. Термические
сопротивления оконных конструкций в несколько раз ниже чем стен зданий, что приводит к повышенным тепловым потерям через окна в зимний период времени и дополнительным затратам па кондиционирование в летний. Помимо этого, в холодный период времени из-за низкой температуры внутреннего остекления, существенно понижается комфортность жилых и производственных помещений. Поэтому, в работе значительное внимание уделено исследованию новых конструкций оконных заполнений с регулируемыми тепловыми характеристиками.
Стены современных зданий, как правило, многослойные, и их теплозащитные характеристики во многом определяются состоянием достаточно тонких теплоизоляционных слоев. Необходимо разработать методики инструментального определения теплозащитных характеристик современных многослойных стеновых конструкций. В диссертационной работе выполнены расчетные исследования с целью создания основ для разработки точных и оперативных методов проведения таких измерений.
На теплозащитные свойства стеновых конструкций значительное влияние оказывают процессы влагопереноса. В работе получили развитие новые экспериментальные и расчетные методы исследования влагопереноса в пористых строительных материалах и рассмотрено влияние влажности на теплопроводность газобетона при положительных и отрицательных температурах.
Достаточно актуальны в настоящее время вопросы, связанные с учетом распределения тепла в многоквартирном жилом доме между отдельными квартиросъемщиками. Предложены системы учета с использованием регистраторов расхода тепла отопительных приборов. Для их внедрения, кроме решения организационных вопросов, необходимо проведение комплексных исследований по адаптации регистраторов к широко распространенным в
8 нашей стране системам отопления. Решению этих вопросов уделено определенное внимание в диссертационной работе.
Проводимые энергетические обследования показывают, что до половины энергетических затрат в современных зданиях расходуется на нагрев зимой и охлаждения воздуха летом, необходимого для вентиляции жилых и производственных помещений. В диссертационной работе приведены результаты расчетно-экспериментального исследования нового класса дисковых воздушных теплообменников для утилизации тепла и холода вентиляционного воздуха.
Актуальность диссертационной работы подтверждается выполнением исследований при поддержке следующих программ и грантов: Федеральной целевой программы "Интеграция" (Проект № к-1-99 "Мониторинг тепловых потерь и теплопроводности ограждающих конструкций жилых и производственных зданий", 1999 г.); программы Министерства общего и профессионального образования "Научное, научно-методическое, материально-техническое и информационное обеспечение системы образования" (проект № 2394 "Экспериментальное и численное исследование теплопереноса в светопрозрачных ограждающих конструкциях с целью повышения их теплотехнических характеристик" 2000-2001 гг.); программы Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники (код проекта №03.01.034 "Долгосрочное прогнозирование изменения теплозащитных характеристик ограждающих конструкций зданий и сооружений", 2001-2002 гг.); программы Энергосбережения СО РАН ("Фундаментальные исследования и мониторинг теплопотерь в ограждающих конструкциях зданий", 2002-2003 гг.; "Распределители расхода тепла отопительных приборов", 2004 г.; "Экспериментальное определение тепловой эффективности дискового вентилятора", 2006-2008 гг.); совместного проекта РФФИ - БРФФИ (проект № 02-02-81005 "Экспериментальное и теоретическое исследование процессов нестационарного тепло- и влагопереноса в пористых
9 средах", 2002-2004 гг.); гранта Президента РФ для ведущих научных школ РФ (грант №1308.2003.8.); интеграционного проекта СО РАН (№26 "Исследование физических механизмов формирования и свойств спектрально-селективных низкоэмиссионных теплоотражающих покрытий на основе оксидов металлов", 2003-2005 гг.); программы "Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники" (код проекта № 03.03.079 "Разработка и опытная апробация метода расчета совместного нестационарного тепло- влагопереноса в ограждающих конструкциях зданий", 2003-2004 гг.); совместного проекта РФФИ-БРФФИ (проект 06-08-81003 Бел_а "Сопряженный нестационарный массоперенос пористых тел при вариации граничных условий. Эксперимент и теория", 2006-2007 гг.); программы Министерства образования и науки Российской Федерации "Развитие научного потенциала высшей школы" (проект № 236 "Энергосберегающие окна с регулируемыми теплозащитными характеристиками", 2005-2006 гг.); гранта РФФИ (ОФИ-06-08-061 "Разработка, экспериментальное определение основных характеристик и создание макетного образца дискового вентилятора-регенератора для утилизации тепла вентиляционного воздуха", 2006-2007 гг.). Объектом исследования являются новые конструкции окон с регулируемыми теплозащитными характеристиками, однослойные и многослойные тешюинерционные стены, автоклавный газобетон, регистраторы расхода тепла отопительных приборов, воздушные дисковые регенераторы тепла вентиляционного воздуха.
Предметом исследования являются тепловые характеристики новых конструкций окон, тепло-влажностные характеристики автоклавного газобетона, зоны однослойных и многослойных стеновых конструкций с наиболее быстрой релаксацией теплового потока при нестационарных тепловых воздействиях, влияние физических параметров на работу регистраторов расхода тепла отопительных приборов, тепловые и
10 динамические характеристики работы дисковых регенераторов тепла вентиляционного воздуха.
Целью работы является проведение расчетно-экспериментальных исследований тепло- и влагопереноса в элементах энергосберегающих ограждающих конструкций и инженерного оборудования зданий включающих:
исследование теплообмена в новых оконных заполнениях с регулируемыми тепловыми характеристиками;
изучение тепло- и влагопереноса в пористых строительных материалах;
исследование теплообмена в оборудовании теплоснабжения и энергоэффективной вентиляции.
В соответствии с намеченной целью были поставлены следующие основные задачи исследования:
На основе современной аппаратуры и с использованием новых измерительных методов создать комплекс экспериментальных установок для изучения тепловых характеристик новых оконных конструкций с регулируемыми теплозащитными свойствами.
Выполнить экспериментальные исследования влияния режимных и конструктивных параметров на тепловые характеристики оконных заполнений с тепловыделениями в воздушных прослойках, с вентиляцией прослоек воздухом из помещения, с экранами или жалюзи с теплоотражающими покрытиями.
Создать методику численного расчета совместного лучисто-конвективного теплообмена для вентилируемых окон и провести ее верификацию на результатах экспериментальных исследований.
Провести цикл расчетно-экспериментальных исследований, направленных на разработку основ новых методик инструментального определения теплозащитных характеристик теплоинерционных ограждающих конструкций зданий.
Выполнить экспериментальные исследования тепло- и влагопереноса в газобетоне в широком диапазоне изменения граничных условий при различных режимах увлажнения.
Методами математического моделирования исследовать совместный тепло- и влагоперенос в пористых строительных материалах и провести верификацию полученных результатов на экспериментальных данных для автоклавного газобетона.
Выполнить экспериментальные исследования влияния различных физических факторов на радиаторные коэффициенты регистраторов расхода тепла отопительных приборов.
Провести теоретические расчеты и создать опытные образцы новых дисковых вентиляторов- регенераторов тепла вентиляционного воздуха.
Выполнить серию экспериментальных исследований одноступенчатых и двухступенчатых дисковых вентиляторов-регенераторов тепла вентиляционного воздуха для определения тепловых и динамических характеристик аппаратов.
Методы исследования: теоретические с применением математического моделирования и численных расчетов процессов тепло- и влагопереноса в оконных заполнениях, в пористых строительных материалах, в теплоинерционных ограждающих конструкциях, в элементах инженерного оборудования зданий; экспериментальные на специализированных стендах (климатической камере для исследования теплообмена в светопрозрачных конструкциях, установках для изучения изотермического и неизотермического влагопереноса в пористых материалах, тепловом стенде для рассмотрения особенностей работы регистраторов расхода тепла отопительных приборов); установке для определения тепловых и динамических параметров воздушных дисковых регенеративных теплообменников с использованием современных высокоточных методов исследования: метода "греющей проволоки" для определения теплопроводности влажных материалов при положительных и
12 отрицательных температурах, метода "гамма просвечивания" образцов для регистрации полей влажности при капиллярной пропитке и сорбционном влагопоглощении. Научная новизна:
Экспериментально установлено влияния тепловыделений в межстекольном пространстве на тепловые характеристики тройного остекления. Проанализирована динамика выхода на стационарный режим и зависимость температуры остекления от мощности тепловыделений.
Впервые получены зависимости распределения локальных тепловых характеристик окон с тройным остеклением принудительно вентилируемых воздухом из помещения от толщины вентилируемой прослойки, скорости и расхода вентилирующего воздуха. Экспериментально определены тепловые характеристики окон при естественной вентиляции внутренней межстекольной прослойки.
Предложена методика расчета лучисто-конвективного теплообмена для вентилируемого окна с тройным остеклением, основанная на решении уравнений Новье-Стокса в двумерной постановке.
На экспериментальных стендах и в натурных условиях исследованы экраны и жалюзи с теплоотражающими покрытиями. Показана их высокая эффективность в управлении теплозащитными характеристиками окон.
Экспериментальные исследования теплопроводности автоклавного газобетона с различной влажностью позволили установить зависимости коэффициентов теплопроводности для газобетона максимальной сорбционной влажности и предельного влагонасыщения при положительных и отрицательных температурах.
Разработана новая методика экспериментального определения влажностных характеристик строительных материалов с использованием
13 "гамма-просвечивания". Получена зависимость коэффициента диффузии влаги в автоклавном газобетоне от влажности при различных режимах увлажнения.
На основе результатов экспериментальных исследований апробирован нестационарный метод расчета тепло-влажностного состояния пористых строительных материалов, учитывающий перенос парообразной и жидкой влаги.
На основании изучения влияния физических факторов на работу регистраторов расхода тепла отопительных приборов показано, что радиаторные коэффициенты зависят, как от средней температуры поверхности радиатора, так и от температуры окружающего воздуха. Предложено введение температурного коэффициента, снижающего влияние температуры окружающего воздуха на радиаторный коэффициент.
Предложены и испытаны конструкции нового класса воздушных теплообменников на основе системы вращающихся дисков для регенерации тепла вентиляционного воздуха. Впервые экспериментально определены их динамические параметры и тепловая эффективность.
Достоверность основных положений и выводов подтверждается достаточной обоснованностью принятых допущений и обеспечена:
определением погрешностей измерений при выполнении экспериментальных исследований и дублированием одних и тех же измерений разными методами;
использованием при экспериментальных исследованиях современных методов измерения и компьютерной техники;
тестированием программных модулей и сопоставлением результатов расчетов с данными других авторов;
сравнением результатов, полученных численными и
экспериментальными методами.
Теоретическая значимость работы заключается:
в постановке и численном решении задачи свободноконвективного движения и теплообмена воздуха в двух смежных протяженных полостях при градиенте температуры на их стенках;
в установлении общих закономерностей изменения тепловых параметров в теплоинерционных ограждающих конструкциях зданий при нестационарных тепловых граничных условиях;
в верификации на экспериментальных данных расчетной модели нестационарного тепло- и влагопереноса в пористых материалах.
Практическая ценность работы заключается:
в новых экспериментальных данных по влиянию эффективности тепловыделений в межстекольных прослойках на тепловые характеристики окон с тройным остеклением;
в возможности использования полученных экспериментальных результатов и разработанной методики расчета тепловых характеристик при проектировании и внедрении в строительную практику вентилируемых окон;
в получении результатов лабораторных и натурных испытаний межрамных экранов и жалюзи с теплоотражающими покрытиями, которые показали их высокую эффективность в снижении тепловых потерь через окна, и по результатам которых они рекомендованы к широкому практическому применению;
в обнаружении в результате расчетов изменения тепловых параметров в теплоинерционных стеновых конструкциях при нестационарных граничных условиях зон с наиболее быстрой релаксацией тепловых параметров к равновесному значению, проведение измерений в этих
15 зонах может стать основой создания новых более точных и оперативных методик инструментального определения теплозащитных характеристик стен современных зданий;
в проведении экспериментального исследования зависимости теплопроводности автоклавного газобетона от влажности, которое показало, что особенно значительное повышение теплопроводности происходит для газобетона сверхсорбционного увлажнения при отрицательных температурах, поэтому следует предусматривать меры защиты ограждающих конструкций из газобетона от увлажнения, особенно сверхсорбционного;
в разработке неразрушающей методики определения влажностных характеристик пористых материалов методом "гамма-просвечивания", которая может быть использована для широкого круга строительных материалов,
в получении экспериментальных значений коэффициентов диффузии влаги автоклавных газобетонов различной плотности в широком диапазоне влажностей материалов, они могут быть использованы для проведения тепло-влажностных расчетов строительных конструкций из газобетона;
в ведении по результатам исследования влияния физических параметров на работу регистраторов расхода тепла отопительных приборов температурного коэффициента, снижающего влияние температуры окружающего воздуха на радиаторный коэффициент, а также в определении оптимального положения установки регистратора на радиатор отопления;
в получении динамических и тепловых характеристик нового класса воздушных теплообменников на основе системы вращающихся дисков для регенерации тепла вентиляционного воздуха.
На защиту выносятся:
Экспериментальные результаты по эффективности повышения тепловых характеристик тройного остекления за счет тепловыделений в межстекольном пространстве.
Результаты экспериментального исследования зависимостей тепловых характеристик окон с тройным остеклением при вентиляции внутренней межстекольной прослойки воздухом из помещения от толщины прослойки, скорости, расхода вентилирующего воздуха и направления его подачи.
Математическая модель и результаты численных расчетов сложного лучисто-конвективного теплообмена вентилируемых окон с тройным остеклением.
Результаты экспериментальных исследований и натурных испытаний термических характеристик оконных заполнений с экранами и жалюзи с односторонними и двухсторонними теплоотражающими покрытиями.
Экспериментальные результаты исследования температурных зависимостей коэффициента теплопроводности автоклавного газобетона различной влажности при положительных от 0 до 20 С и отрицательных от 0 до -50 С температурах.
Результаты экспериментальных исследований процессов влагопереноса в автоклавном газобетоне при различных тепло-влажностных условиях.
Результаты численных расчетов совместного тепло- и влагопереноса в автоклавном газобетоне с применением нестационарной методики расчета.
Результаты экспериментальных исследований влияния различных физических факторов на работу регистраторов расхода тепла отопительных приборов.
17
9. Результаты расчетно-экспериментального исследования нового класса
воздушных теплообменников на основе системы вращающихся дисков
для регенерации тепла вентиляционного воздуха. Апробация работы в виде докладов и обсуждений основных положений и результатов исследований проходила на следующих семинарах и конференциях: международных конгрессах "Ресурсосберегающие и энергосберегающие технологии реконструкции и нового строительства" (Новосибирск, 1998, 1999, 2000, 2004, 2005 гг.); международном семинаре "Энерго-ресурсосбережение в Сибирском регионе" (Новосибирск, 1998 г.); Российских национальных конференциях по теплообмену (Москва, 1998, 2002, 2006 гг.); Международных научно-технических семинарах "Нетрадиционные технологии в строительстве" (Томск, 1999, 2001 гг); Минских международных форумах по тепло- и массообмену (Беларусь, Минск, 2000, 2004 гг.); Пятой научно-практической конференции "Проблемы строительной теплофизики, систем обеспечения микроклимата и энергосбережения в зданиях" (Москва, 2000 г.); Международной практической конференции "Утеплители и системы утепления ограждающих конструкций зданий" (Новосибирск, 2001 г.); Первой Всероссийской школе-семинаре "Энергосбережение - теория и практика" (Москва, 2002 г.); Сибирских теплофизических семинарах (Новосибирск, 2002, 2004 гг.); Международной научно-технической конференции (Томск, 2002 г.); IV Всероссийском совещании "Энергосбережение и энергобезопасность России" (Томск, 2003 г.); Международных научно-практических конференциях "Проблемы коммерческого учета теплоносителей" (Новосибирск, 2004, 2005 гг.); Научных школах-конференциях "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики" (Украина, Алушта, 2004, 2005 гг); Научно-технических конференциях НГАСУ (Новосибирск, 2005, 2006, 2007, 2008 гг.); Национальной конференции по теплоэнергетике (Казань, 2006 г.); Всероссийских научно-практических конференциях. "Приоритетные направления науки и техники, прорывные и критические технологии -
18 энергетические, экологические pi технологические проблемы экономики (Барнаул, 2007, 2008 гг.); Первой международной конференции «Энергопотребление зданий и окружающая среда (Китай, Далянь, 2008 г.).
Личный вклад автора заключается в постановке задач всего комплекса выполненных исследований, в разработке и проектировании экспериментальных установок, в выборе методов и методик экспериментальных исследований, в научном консультировании при проведении экспериментов, в анализе и обобщении полученных экспериментальных данных, в постановке задач математического моделирования исследуемых процессов тепло- и влагообмена, в проведении численных расчетов, в верификации расчетных методов на экспериментальных результатах, в обобщении расчетных и экспериментальных результатов и подготовке научных статей.
При научном консультировании автора в экспериментальных исследованиях окон с тепловыделениями в воздушных прослойках принимал участие к.т.н. Петров Е.В., в расчетно-экспериментальных исследованиях вентилируемых окон - к.т.н. Диомидов М.В, в изучении совместного тепло- и влагопереноса в пористых материалах - к.т.н. Стерлягов А.Н. В создании программного обеспечения для расчета теплообмена в вентилируемых окнах и теплоинерционных ограждающих конструкций большой вклад внес к. ф.-м. н. Терехов В.В. В написании компьютерной программы для расчета совместного тепло- и влагопереноса в пористых материалах принимал участие Башкатов М.В.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 72 печатных работах, из них 19 опубликованы в изданиях рекомендуемых ВАК для публикации материалов докторских диссертаций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения, списка литературы, приложения. Объем диссертации
19 составляет 338 страниц, включая 168 рисунков, 20 таблиц. Список литературы содержит 202 наименований.
В первой главе описан экспериментальный стенд, на котором проводились исследования новых оконных конструкций с регулируемыми тепловыми характеристиками. Приведены экспериментальные результаты исследования тепловых характеристик тройного остекления при тепловыделениях в воздушных прослойках. По результатам экспериментов определена зависимость повышения температуры внутреннего остекления от мощности тепловыделений, изучена динамика выхода на стационарный тепловой режим, выполнено сравнение эффективности тепловыделений при обогреве внутренней и наружной воздушной прослойки окна при тройном остеклении. Приведены экспериментальные данные о влиянии на эффективность тепловыделений в воздушных прослойках использования теплоотражающих покрытий на поверхности стекол.
Во второй главе проведен обзор экспериментальных и теоретических исследований вентилируемых окон, и сформулированы задачи исследования. Представлены экспериментальные результаты исследования тепловых характеристик окон с тройным остеклением, вентилируемых воздухом помещения. Исследованы основные физические параметры, определяющие процессы теплообмена в вентилируемых окнах. Определено влияние направления движения воздуха в вентилируемом окне на распределение тепловых параметров. Обнаружен и экспериментально исследован режим естественной вентиляции окна. Предложены и реализованы в виде специальных компьютерных программ методики расчета лучисто-конвективного теплообмена обычного и вентилируемого окна с тройным остеклением. Проведен анализ выявленной в результате расчета сложной структуры течения в межстекольных прослойках окна без вентилирования, а также влияние интенсивности вентилирования межстекольной прослойки на перестройку течения, на изменения динамических и тепловых параметров. Проведено
20 сопоставление распределения локальных параметров для вентилируемых окон по результатам расчетов и экспериментов.
В третьей главе выполнен обзор литературы по теплоотражающим покрытиям на поверхностях стекол и пленок. Определены задачи исследования тепловых характеристик оконных конструкций с экранами и жалюзи с теплоотражающими покрытиями. Приведены результаты натурных теплотехнических исследований теплозащитной эффективности вертикального жалюзи с односторонним теплоотражающим покрытием. Представлены результаты цикла экспериментальных лабораторных исследований межрамных экранов и жалюзи с различными теплоотражающими покрытиями на модели окна с тройным остеклением. По результатам экспериментальных исследований выполнены расчеты теплозащитной эффективности предложенных конструкций межрамных экранов и жалюзи для двойного остекления. Выполнен цикл натурных измерений тепловых характеристик при использовании межрамных экранов и жалюзи с теплоотражающими покрытиями на двойном остеклении. Изучены особенности применения внутренних экранов с теплоотражающими покрытиями для регулирования тепловых характеристик светопрозрачных конструкций.
В четвертой главе рассмотрены проблемы инструментального определения теплозащитных характеристик стен современных зданий. Проанализированы существующие методики. Для создания основ новых более точных и оперативных методик определения теплозащитных характеристик стеновых конструкций были проведены компьютерные расчеты изменения тепловых параметров в теплоинерционных однослойных и двухслойных стенах при наиболее типичных нестационарных тепловых воздействиях. В общем критериальном виде было решено нестационарное уравнение теплопроводности для однослойных стен при резком изменении температуры наружного воздуха и определено положение области внутри стены с наиболее быстрой релаксацией теплового потока к равновесному состоянию. Результаты
21 расчета в общем критериальном виде были верифицированы на результатах расчетов конкретных стеновых конструкций. Проведены расчеты и проанализированы их результаты при циклических суточных колебаниях температуры наружного и внутреннего воздуха. Для двухслойных стен выполнены расчеты, позволившие определить направление и величину смещения зоны наиболее быстрой релаксации теплового потока к равновесному состоянию в случае резкого изменения температуры наружного воздуха по сравнению с однослойными стенами. Приведены результаты натурных измерений изменения тепловых параметров в однослойной стене из газобетона при изменении наружных тепловых условий.
В пятой главе проведен анализ существующих методов экспериментального определения коэффициентов теплопроводности материалов. Изложена физическая основа нестационарного способа измерения теплопроводности материала методом "горячей проволоки". Описан экспериментальный стенд для измерения теплопроводности строительных материалов различной влажности при положительных и отрицательных температурах. Приведены экспериментальные результаты определения коэффициентов теплопроводности автоклавных газобетонов различной плотности в сухом состоянии, при обычной эксплуатационной влажности, при максимальной сорбционной влажности и при предельном влагонасыщении для положительных и отрицательных температур.
В шестой главе выполнен обзор экспериментальных и расчетных методов исследования процессов влагопереноса в пористых материалах. Сформулированы задачи исследования процессов перемещения и накопления влаги в автоклавном газобетоне. Различными физическими методами определена пористая структура, изотерма сорбции и паропроницаемость газобетона. Описаны использованный для исследования влагопереноса метод "гамма-просвечивания" образцов, созданная экспериментальная установка, применяемая методика определения коэффициента диффузии влаги,
22 основанная на методе Болыдмана-Матано. Получены зависимости коэффициентов диффузии влаги от влажности автоклавного газобетона при сорбционном влагонасыщении и капиллярной пропитке для газобетонов различной плотности. Приведены результаты экспериментальных исследований влагопереноса в газобетоне при сорбционном влагопоглощении в неизотермических условиях. Апробирована на экспериментальных данных расчетная модель нестационарного тепло- и влагопереноса, в которой рассматривалось перемещение влаги в пористом материале в виде пара и в виде жидкости под действием градиента относительной влажности. С использованием данной модели выполнены расчеты накопления влаги в слое газобетона в неизотермических условиях при различных вариантах пароизоляции.
В седьмой главе приведено описание экспериментального стенда для ; исследования влияния различных физических факторов на работу регистраторов расхода тепла отопительных приборов. Приведены результаты измерения тепловых полей поверхности радиатора при различных расходах и направлениях подачи теплоносителя. На основании экспериментальных исследований определены радиаторные коэффициенты радиаторов отопления и их зависимости от средней температуры поверхности радиатора и температуры окружающего воздуха. Рассмотрена возможность снижения зависимости радиаторного коэффициента от температуры окружающего воздуха введением температурного коэффициента. Определено оптимальное положение установки регистратора на радиатор для повышения точности его измерений.
В восьмої! главе проведен анализ работы наиболее эффективных конструкций воздушных рекуперативных и регенеративных теплообменников. Предложен и описан новый класс регенеративных дисковых теплообменников для утилизации тепла вентиляционного воздуха. Получены зависимости предельной эффективности таких аппаратов от количества ступеней и коэффициента теплоотдачи от скорости вращения дисков. На основании
23
выполненных расчетов определено влияние материала дисков и их толщины на
тепловую эффективность аппаратов. Описаны результаты экспериментальных
исследований одноступенчатого дискового вентилятора-регенератора тепла
вентиляционного воздуха. Измерены профили динамических параметров в
различных сечениях аппарата. Получена напорно-расходная характеристика и
определена тепловая эффективность. Приведены результаты
экспериментального исследования двухступенчатого однороторного дискового вентилятора-регенератора тепла вентиляционного воздуха. Определены его динамические параметры и тепловая эффективность.
В приложениях приведены документы, подтверждающие практическое использование полученных в работе результатов. Представлены результаты экономического прогноза эффективности организации производства дисковых вентиляторов-регенераторов тепла вентиляционного воздуха. Выполнен анализ погрешностей определения тепловых параметров светопрозрачных конструкций при проведении теплотехнических измерений в климатической камере.
Похожие диссертации на Расчетно-экспериментальные исследования энергоэффективных элементов ограждающих конструкций и климатического оборудования зданий
