Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Краткий обзор работ. цели и задачи исследований. 21
1.1. Линейная модель процесса нестационарной теплопроводности. 22
1.2. Процессы теплопереноса с нелинейными граничными условиями . 28
1.3. Экспериментальные методы изучения тепловых режимов конструкций. 33
1.4. Задачи исследований. 39
Глава II. Постановка задачи теплопереноса в многослойных строительных конструкциях с учетом солнечной радиации. метод решения . 42
2.1. Физическая модель. Принятые допущения. Постановка задачи . 44
2.2. Схема расчета. 50
2.3. Характерные температурные распределения. 54
Глава III. Экпериментальные исследования тепловых режимов ограждений в летнее время. сравнение с расчетом . 64
3.1. Исследуемые ограждающие конструкции. 64
3.2. Аппаратура и оборудование, используемое при проведении эксперимента . 67
3.3. Подготовка к испытаниям. 73
3.4. Проведение эксперимента. 78
3.5. Обработка результатов. 79
Глава IV. Численное моделирование процессов теплопереноса в типовых строительных конструкциях. Оценка теплоустойчивости . 88
4.1. Температурные режимы вертикальных ограждающих конструкций. 88
4.2. Процессы теплопереноса в бесчердачных покрытиях . 101
Заключение. 122
Литература. 124
Приложение. 135
- Процессы теплопереноса с нелинейными граничными условиями
- Физическая модель. Принятые допущения. Постановка задачи
- Аппаратура и оборудование, используемое при проведении эксперимента
- Процессы теплопереноса в бесчердачных покрытиях
Введение к работе
В настоящее время жилой фонд зданий в Российской Федерации с точки зрения энергоиспользования является весьма неэффективным. Благодаря проводимой в прошлом политике «дешевых» энергоносителей, в пятидесятых-шестидесятых годах минувшего столетия в стране началось массовое строительство бетонных зданий с невысоким уровнем теплозащиты. Известно, что до трети всех потребляемых энергоресурсов страны расходуется на содержание жилых, гражданских и промышленных зданий [1].
Очевидно, что . для России вопросы энергосбережения особо актуальны. К тому же, наша страна обладает одним из самых высоких потенциалов энергосбережения. По различным оценкам доля энергии, которую можно сэкономить составляет от 30 до 40 % топливно-энергетического баланса государства.
Как показывает мировой опыт в решении проблемы энергосбережения, экономия топливно-энергетических ресурсов является стратегической задачей государства.
Так, в государствах-членах ЕС действует Программа CEPHEUS «Эффективные по себестоимости пассивные дома как европейский стандарт», идет работа по преобразованию в национальный закон Директивы по энергетическим характеристикам зданий (EPBD). Во многих европейских странах декларируется цель достижения ультранизкого и даже нулевого уровня потребления энергии зданиями [2].
В целях стабилизации кризисных явлений в энергообеспечении отечественной экономики и социальной сферы Правительство Российской Федерации в 90-е годы прошлого столетия приняло меры к формированию научной и правовой базы энергосбережения.
«Энергетической стратегией России» на период до 2010 года, принятой Правительством 7 декабря 1994 года, в качестве высшего приоритета энергетической политики поставлена задача повышения жизненного уровня населения за счет роста прямых энергетических услуг, осуществляемых при углублении электрификации и газификации быта, села и общественного транспорта, и повышении эффективности использования энергии.
Продолжением этого курса является «Энергетическая стратегия России» на период до 2020 года, принятая Правительством 28августа 2003 года. Энергетическая стратегия сформирована с учетом оптимизации топливно-энергетического баланса России по структуре и в разрезе отраслей и регионов. В частности, предусматривается «замедление роста расхода энергоресурсов на централизованное теплоснабжение в 1,07-1,11 раза относительно общего энергопотребления в связи с большими возможностями для снижения потерь и экономии тепла, а также опережающего развития его локальных и индивидуальных источников».
Указом Президента Российской Федерации от 7 мая 1995 года №472 были утверждены «Основные направления энергетической политики Российской Федерации на период 2010 года». Этим документом приоритетным направлением развития энергетической политики России определена «реализация потенциала энергосбережения за счет создания и внедрения высокоэффективного топливо- и энергопотребляющего оборудования, теплоизоляционных материалов и строительных конструкций».
3 апреля 1996 года в целях создания экономических и организационных условий для эффективного использования энергетических ресурсов был принят Федеральный закон «Об энергосбережении» №28-ФЗ, который регулирует отношения, возникающие в процессе деятельности в области энергосбережения. Этим законом определены основные принципы энергосберегающей политики государства, установлены требования . к стандартизации, сертификации и метрологии в области энергосбережения, определены основы государственного управления энергосбережением, включая осуществление государственного надзора за эффективностью энергопотребления, проведение энергетических обследований организаций и учет энергетических ресурсов.
Анализ энергоэффективности отечественной экономики на протяжении последних лет свидетельствует, что в 90-е годы прошлого столетия был проделан большой объем работ, связанный с созданием основы нормативно-правовой базы энергосбережения: изучался зарубежный опыт, делались оценки потенциала энергосбережения в различных отраслях экономики, определялись подходы и направления решения проблемы роста энергетической эффективности. В результате этих работ в период 1994-1998 г.г. были сформированы основы российской нормативно-правовой базы энергосбережения, начиная с «Энергетической стратегии России», до федерального закона «Об энергосбережении» и федеральной целевой программы «Энергосбережение России».
Современное состояние в области энергоэффективности можно оценить как период перевода основных направлений работ от формирования идеологии и нормативно-правовых положений в сферу практической деятельности, последовательной поэтапной отработки технологии «реального энергосбережения». Повышение энергоэффективности строительного комплекса в целом возможно только при обеспечении энергоэффективности как зданий и сооружений, так и систем их теплоснабжения.
Введенные в 1995 году изменения в СНиП «Строительная теплотехника», а также утвержденные Правительством Москвы в 1994 году Московские городские строительные нормы МГСН 2.01-94 «Энергосбережение в зданиях» уже привели к созданию новых и реконструируемых зданий с эффективным использованием энергии.
Так, в 1998-2002 г.г. в г. Москве был реализован проект «Энергоэффективный жилой дом в микрорайоне Никулино-2» [3, 4]. Целью проекта являлось создание, натурная апробация и последующее внедрение в жилищное строительство города новейших технологий и оборудования, обеспечивающих, как минимум, двукратное снижение энергозатрат. В частности, для этого применялись следующие энергоэффективные мероприятия:
- наружные ограждения (3-слойные железобетонные панели на дискретных связях) с повышенной теплозащитой;
теплонасосная установка для горячего водоснабжения, использующая тепло грунта и удаляемого вентиляционного воздуха;
- система отопления с термостатическими вентилями на каждом отопительном приборе, обеспечивающая возможность поквартирного учета и регулирования расхода тепловой энергии и индивидуального регулирования температуры воздуха в помещениях.
Некоторые результаты проекта приведены в таблице 1.
Следует отметить, что внедрение энергосберегающих мероприятий в г. Москве является одной из главных задач по снижению энергетического дефицита столицы - крупнейшего потребителя топливно-энергетических ресурсов в России. В этой связи особую значимость приобретает принятие закона г. Москвы №35 от 05.07.2006 г. «Об энергосбережении в г. Москве», учитывающего специфику огромного мегаполиса. Закон совершенствует правовое регулирование в области энергосбережения, организует систему контроля за расходом энергоресурсов и их эффективным использованием, обеспечивает заинтересованность производителей, поставщиков и потребителей энергоресурсов в повышении эффективности их использования, позволяет ввести энергетические паспорта для обследованных организаций, внедряет более жесткие по сравнению с федеральными городские стандарты в области энергоэффективности.
Известно, что Госстрой РФ также поддерживает энергосберегающую политику (Постановлениями №18-14 от 06.06.1997 г. «Об экономии энергоресурсов при проектировании и строительстве» и №18-11 от 02.02.1998 г. «О теплозащите строящихся зданий и сооружений»).
Появившаяся в последнее время новая редакция федеральных норм по теплозащите [5] использует потребительский подход к нормированию, заключающийся в установлении предельного уровня суммарного удельного энергопотребления здания. С его помощью, применяя различные энергосберегающие мероприятия (рациональные объемно-планировочные решения, автоматизация, применение окон и дверей с повышенной теплозащитой и т.д.), можно, например, снизить степень теплозащиты наружных ограждений и тем самым уменьшить затраты на наиболее дорогостоящий способ энергосбережения - устройство теплоизоляции.
Требования [5] прошли апробацию в большинстве субъектах России при разработке и внедрении Территориальных Строительных Норм (ТСН) под общим названием «Энергетическая эффективность жилых и общественных зданий». По данным Госстроя РФ уже 6% от всего фонда зданий России соответствуют требованиям новых норм, обеспечивающих около 40% энергосбережения по сравнению с 1995 г. Произошел переход от повсеместного распространения панельного домостроения к монолитно каркасному с наружным утеплением из легких теплоизоляционных материалов [6].
Очевидно, что энергосбережение во всех его видах может стать решением актуальной проблемы энергодефицита.
Важнейшей частью энергосбережения в строительстве является проблема потребления энергии системами климатизации - отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.
В теплый период года, особенно в южных районах страны, из-за высокой температуры окружающего воздуха и значительной интенсивности солнечной радиации происходит перегрев зданий. Эти условия вызывают значительные тепловые нагрузки на организм человека, существенно снижая его работоспособность и производительность труда. В результате для поддержания необходимого микроклимата в помещениях широко используются системы кондиционирования и вентиляции. Во многих случаях расход холода в кондиционируемых помещениях в летнее время превышает расход тепла на отопление в зимний период [7].
Именно отыскание уровня эффективной тепловой защиты для зданий с системами охлаждения внутреннего воздуха в теплый период года пока является не решенной проблемой. Предлагается устанавливать уровень тепловой защиты для северных и центральных регионов страны из условий энергосбережения на отопление, а для южных регионов - из условия энергосбережения на охлаждение [6].
Следует отметить, что потребительский подход, используемый в [5], зачастую реализуется непоследовательно и таким образом, что у проектировщика остается очень узкий диапазон параметров, в пределах которых он может принимать решения по теплозащите здания.
Также ощущается явная нехватка информации о научных методах, на основе которых осуществляется проектирование зданий.
Одна из проблем, вызывающая к себе значительный интерес, связана с переносом теплоты в ограждающих конструкциях.
Согласно [5] расчет нестационарных температурных режимов многослойных ограждающих конструкций в летнее время основан на теории теплоустойчивости.
Теория теплоустойчивости - способности сохранять относительное постоянство температуры на внутренней поверхности ограждений при периодических наружных тепловых воздействиях - была разработана О.Е. Власовым, Л.А. Семеновым, A.M. Шкловером. На основе этой теории созданы методы расчетов колебаний температур в конструкциях, подвергающихся периодическим тепловым воздействиям, и получены приближенные формулы для оценки затуханий температурных колебаний, тепловой инерции и т.д.
Существенным недостатком расчетных схем в теории теплоустойчивости является использование линейной модели процесса нестационарной теплопроводности. Нелинейность граничных условий, учитывающих радиационно-конвективныи перенос на наружной поверхности ограждения, не дает возможность получения строгого аналитического решения. Поэтому разность четвертых степеней абсолютных температур в граничных условиях заменялась разностью температур в первой степени с вводом единого суммарного коэффициента теплоотдачи конвекцией и излучением ОСн: ( \ о & аМн-гпов)+РЯп=-к- п п где tH, t - температура соответственно наружного воздуха и наружной поверхности ограждения, °С;
pn - коэффициент поглощения солнечной радиации наружной поверхности ограждения;
qn - интенсивность солнечной радиации, Вт/м2;
Яи - коэффициент теплопроводности наружного слоя ограждения, Вт/(м • °С);
(X , ССЦ - коэффициент теплоотдачи соответственно конвекцией и излучением, Вт/(м2 • °С).
В дальнейших расчетах коэффициент теплоотдачи излучением принимается постоянным, хотя на самом деле этот коэффициент является функцией температур и, следовательно, времени.
Такой подход позволил реальную нелинейную модель процесса теплопереноса заменить упрощенной линейной моделью, используя при этом решения известных задач нестационарной теплопроводности с граничными условиями третьего рода.
Поэтому актуальными являются исследования, направленные на развитие методов расчета тепловых режимов многослойных ограждений зданий, позволяющих не только анализировать динамику процесса, но и наметить пути к созданию более совершенных конструкций.
Наиболее приемлемый способ решения задач нестационарного переноса в составных стенках с излучающими поверхностями связан с использованием численных методов и ЭВМ.
Целью настоящей работы является обеспечение требуемого теплового режима в помещениях зданий посредством совершенствования методики расчета тепловых режимов ограждающих конструкций с учетом влияния колебаний температуры наружного воздуха, интенсивности солнечной радиации, месторасположения теплоизоляционного слоя.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
- анализ особенностей тепловых режимов работы ограждающих конструкций;
анализ существующих нормативных методов оценки теплоустойчивости ограждающих конструкций;
- обобщение определяющих факторов тепловых режимов работы ограждающих конструкций в теплый период года;
- разработка методик расчета нестационарных температур и тепловых потоков для вертикальных стен различной ориентации и бесчердачных покрытий;
- проведение численных экспериментов по исследованию величин нестационарных тепловых потоков и температур в ограждающих конструкциях зданий и сооружений для городов Южного Федерального округа;
- экспериментальное определение нестационарных температур и тепловых потоков в одно- и двухслойной вертикальных конструкциях в летних условиях;
- теоретическая и экспериментальная оценки тепловых режимов бесчердачных покрытий при их лучисто-конвективном прогреве.
Основная идея работы состоит в разработке уточненных математических моделей для оценки тепловых режимов многослойных ограждающих конструкций в теплый период года, учитывающих результирующее излучение между ограждением и «окружением».
Методы исследования включали: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, физико-математическое моделирование изучаемых процессов, экспериментальные исследования.
Научная новизна работы заключается в том, что:
- уточнена математическая модель, описывающая процессы переноса теплоты в ограждающих конструкциях зданий и сооружений в теплый период года, учитывающая результирующее излучение между ограждением и «окружением»;
- на основе использования нестационарных моделей процессов теплообмена, учитывающих влияние переменной температуры наружного воздуха и ориентации поверхности ограждающих конструкций, получены аналитические и экспериментальные зависимости, характеризующие тепловой режим вертикальных многослойных ограждений в теплый период года;
- по результатам численных экспериментов установлены графические зависимости, характеризующие изменения температур и тепловых потоков ограждающих конструкций зданий и сооружений, показывающие влияние основных параметров процесса переноса на динамику тепловых режимов ограждений;
- на основе использования нестационарных моделей процессов теплопереноса, учитывающих влияние интенсивности солнечной радиации и колебаний температуры наружного воздуха, получены аналитические зависимости, характеризующие тепловой режим бесчердачных покрытий.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована применением классических положений теории тепломассопереноса, моделирования изучаемых процессов, подтверждена удовлетворительной сходимостью полученных результатов экспериментальных исследований, проведенных в натурных условиях, с результатами других авторов.
Практическое значение работы:
- предложена численная схема для решения нелинейных задач тепломассопереноса, на основе которой была разработана вычислительная программа;
- разработана методика расчета нестационарных температур и тепловых потоков в вертикальных многослойных ограждающих конструкциях в теплый период года, позволяющая определять теплоустойчивость ограждения;
- разработана методика расчета для оценки теплового режима бесчердачных покрытий при лучисто-конвективном теплообмене на внешней поверхности.
Реализация результатов работы:
результаты диссертационной работы использованы при проектировании ограждающих конструкций жилых зданий в ОАО «Ростовгражданпроект», ООО «ЮгСтройПроект», ООО «Югмонтажкомплекс» (г. Ростов-на-Дону);
- материалы диссертационной работы внедрены в учебный процесс при подготовке инженеров по специальности 290700 Теплогазоснабжение и вентиляция в ГОУ ВПО Ростовский государственный строительный университет.
На защиту выносятся:
- уточненная математическая модель, описывающая процессы переноса теплоты в ограждающих конструкциях зданий и сооружений в теплый период года, учитывающая результирующее излучение между ограждением и «окружением»;
- аналитические и экспериментальные зависимости, характеризующие тепловой режим вертикальных многослойных ограждений в теплый период года, полученные на основе использования нестационарных моделей процессов теплообмена с учетом влияния переменной температуры наружного воздуха и ориентации поверхности ограждающих конструкций;
- графические зависимости, полученные по результатам численных экспериментов, характеризующие изменения температур и тепловых потоков ограждающих конструкций зданий и сооружений и показывающие влияние основных параметров процесса переноса на динамику тепловых режимов ограждений;
- аналитические зависимости, характеризующие тепловой режим бесчердачных покрытий, полученные на основе использования нестационарных моделей процессов теплопереноса с учетом влияния интенсивности солнечной радиации и колебаний температуры наружного воздуха.
Апробация работы.
Основные положения и результаты работы докладывались и получили одобрение на: Международных научно-практических конференциях «Строительство- 2003, 2004» (г. Ростов-на-Дону, 2003 г., 2004 г.); Всероссийской научно-практической конференции «Техносферная безопасность, надежность, качество, энергосбережение» (г. Ростов-на-Дону -п. Шепси, 2004 г.).
Публикации.
По материалам исследований опубликовано 8 научных работ, из них 4 в определенных ВАК изданиях («Жилищное строительство», «Известия высших учебных заведений. Строительство», «Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки»).
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы и приложения. Общий объем работы 139 страниц, в том числе: 48 рисунков на 48 страницах; 4 таблицы на 5 страницах; список литературы из 114 наименований на 11 страницах.
Коротко содержание диссертации сводится к следующему.
Во введении обоснована актуальность проведенных исследований, сформулированы цель и задачи диссертационной работы, ее научная новизна и практическая значимость, а также приведены данные о реализации полученных результатов.
Процессы теплопереноса с нелинейными граничными условиями
В случае действия нелинейных граничных условий явления переноса на поверхности тела в общем виде определяются ими в форме (grad0)s=kf(es), (1.1) где к - константа; f\6s ) - нелинейная функция потенциала переноса на поверхности. Поскольку доля лучистого тепла становится соизмеримой с конвективным переносом, то тепловой поток определяется совместным проявлением законов Ньютона и Стефана-Больцмана, а граничное условие (1.1) принимает вид (grade\ =Bi(l-0s)+Ski -e") Для решения таких задач был предложен метод [60], сочетающий комплексное использование линеаризующих функций, численного анализа и возможностей ЭВМ. Основная идея метода сводится к следующему [61, 62]. Вначале нелинейная краевая задача подвергается линеаризующему преобразованию, в результате которого она приводится к однотипной задаче с линейными граничными условиями третьего рода. Появляющийся при этом в уравнении энергии нелинейный комплекс определенным образом минимизируется и в дальнейших расчетах не учитывается.
Решение линеаризованной задачи находится аналитическим способом, а затем обратным переходом к искомой функции определяется приближенное решение искомой задачи.
Возможность применения ЭВМ — важный показатель эффективности метода, что особенно ценно на стадии проектирования, когда требуется исследовать большое число конструктивных вариантов.
Ниже приведены результаты численного эксперимента по определению нестационарных температур в двухслойной пластине при радиационно-конвективном нагреве. Температура греющей среды постоянна во времени {0 = 1). Рис. 1.2 а) иллюстрирует изменение температуры во времени в наиболее характерных сечениях. Линии 1-3 соответствуют нестационарным температурам на тепловоспринимающей поверхности, на стыке между слоями и на теплоизолированной поверхности составной пластины. На рис. 1.2 б) показаны профили температур для различных значений числа Фурье (1 - Fo = 0,0025; 2 - _Fo=0,025; 3 - Fo=0,05; 4 - Fo = 0,10; 5- Fo= 0,25).
Достаточно обширный числовой материал дал возможность проследить за изменением температурного поля и установить следующее. Весь процесс радиационно-конвективного нагрева составного тела может быть условно разбит на два режима: а) неупорядоченный тепловой режим, когда скорость изменения температуры в отдельных точках тела различна и поле температур зависит от начального распределения тепловых потенциалов; б) квазистационарный тепловой режим, когда температуры всех точек тела изменяются с постоянной скоростью, равной скорости изменения температуры греющей среды. Такой режим нагрева называется регулярным режимом второго рода [9, 10] и характеризуется постоянным отношением температур двух фиксированных точек тела. Можно отметить, что впервые существование квазистационарного режима при радиационно-конвективном прогреве одинарных структур показано в [63].
Существующая закономерность представляет интерес для инженерных приложений. Поскольку в стадии квазистационарного режима температурное поле твердого тела синхронно «копирует» во времени изменение температуры греющей среды, можно, меняя с определенной скоростью мощность внешнего источника тепла, управлять процессом радиационно-конвективного прогрева составных структур. 1.3. Экспериментальные методы изучения тепловых режимов конструкций.
Наряду с теоретическими способами исследования температурных режимов конструкций, использовались и результаты экспериментов [64]. Был смонтирован компактный стенд простейшей конструкции, позволяющий оценить температурные распределения объектов, систем и конструкций, эксплуатируемых на открытом воздухе, а также определяющий эффективную температуру небосвода в различных географических районах, включая высокогорье.
Стенд состоит из двух плоских дюралюминиевых листов, разделенных третьим, теплоизолирующим неметаллическим листом -экраном из стеклопластика, на котором они закреплены с помощью кронштейнов из низкотеплопроводного материала (рис. 1.4). Конструкция установлена на двух треногах. Пакет из трех листов может быть произвольным образом ориентирован относительно поверхности земли и солнца. Для проверки идентичности результатов предусмотрена возможность его разворота на 180 градусов, так что нижний лист займет верхнее положение, а верхний — нижнее.
Конструкция закрывается сбоку съемным фанерным кожухом, защищающим ее от конвективного воздействия набегающего потока воздуха (ветра), который снижает уровень нагрева и перепад температур. При необходимости кожух легко удаляется, и измерения проводятся с учетом действия ветра.
Верхний лист стенда в дневное время облучается солнцем, а ночью «видит» небосвод, с которым участвует в лучистом теплообмене. Температура верхнего листа пакета соответствует температурным условиям элементов конструкции зеркальной системы антенной установки, а нижний лист — элементам конструкции, «видящим» только землю.
Физическая модель. Принятые допущения. Постановка задачи
Исследуемая физическая модель представляет собой составную стенку, состоящую из ТП слоев (рис. 2.1). Между отдельными слоями конструкции могут возникать термические контактные сопротивления Rki, определяющие перепад температур в зоне контакта. В случае же идеального контакта на стыке слоев температуры соприкасающихся поверхностей одинаковы. Коэффициенты тепло- и температуропроводности отдельных частей ограждения принимаются постоянными и составляют Л, и at, соответственно.
Теплозащитные свойства составных конструкций в значительной мере зависят от влажности материала. В связи с тем, что всегда существует перепад температур внутри и снаружи здания, и как следствие, перепад давлений, то всегда существует диффузия водяных паров через ограждение в сторону области более низкого давления. Основной причиной повышенного увлажнения ограждения в процессе его эксплуатации является конденсация водяных паров, которая может происходить как на внутренней поверхности стенки, так и в ее толще.
Использование для внутренней части составной конструкции плотных малопроницаемых материалов, а для наружной - более пористых предохраняет ограждение от возможного увлажнения. Также возможно применение дополнительного пароизоляционного слоя, который располагают на внутренней поверхности конструкции или же за ней (например, под внутренней штукатуркой).
Для реализации задач нестационарного теплопереноса через ограждающие конструкции необходимо иметь надежные и достаточно простые вычислительные алгоритмы, которые давали бы возможность с наименьшими затратами машинного времени находить с разумной точностью температурные распределения и тепловые потоки.
Наиболее приемлемым способом решения задачи (2.6) — (2.10) является разностный метод, универсальность и чрезвычайная эффективность которого находятся вне конкуренции. Существует большое количество разностных схем, применяемых для решения задач теплопереноса. Большинство из них описаны в книгах А.А. Самарского [92], Н.Н. Яненко [93], Г.И. Марчука [94], В.К. Саульева [95], Б.М. Берковского и В.Ф. Ноготова [96], В. Вазова и Дж. Форсайта [97], Р.Д. Рихтмайера и К.В. Мортона [98], А.А. Самарского и Е.С. Николаева [99], Л. Коллатца [100], К. Жаблона и Ж.-К. Симона [101], Дж. Холла и Дж. Уатта [102], Н.И. Никитенко [103], В.М. Пасконова, В.И. Полежаева, Л.А. Чудова [104] и др.
В настоящей работе используется метод «элементарных балансов», предложенный А.П. Ваничевым [105], и прием «расщепления» составного тела на однородные элементы. Отличительной особенностью данного метода является возможность решать задачи нестационарного теплопереноса в случае, когда рассматриваемая конструкция состоит из нескольких слоев с различными теплофизическими свойствами, а физические константы зависят от температуры.
Сущность метода заключается в следующем: рассматриваемое тело разбивается на ряд элементарных геометрических форм, в пределах которых закон изменения температуры может быть с известной степенью точности принят линейным. В качестве элементарной формы принимаем прямоугольник со сторонами Ах, Ay. Расчетными точками будут являться места пересечения плоскостей разбивки, т. е. углы прямоугольников. Температуры в данный момент времени в соседних точках, находящихся на расстоянии Ах, Ay, обозначаются через tx+Ax, ty+Ay, соответственно.
Температура расчетной точки в последующий момент времени обозначается г+Дг- Начальное распределение температур является заданным. Известны также законы изменения параметров и граничные условия.
Задачей является определение температуры во всех расчетных точках во все последующие моменты времени. Расчетные формулы получим, применяя законы Фурье и Ньютона к составлению тепловых балансов групп элементарных фигур, на которые разбито тело. При этом могут встретиться разнообразные варианты расположения расчетных точек. Последние могут находиться в пределах одного слоя, лежать на границе двух слоев, могут также быть расположены на границе конструкции с воздухом. Для каждого такого варианта справедлива своя расчетная формула.
Аппаратура и оборудование, используемое при проведении эксперимента
При проведении опытов применялись следующие приборы и оборудование: 1) кондиционер БК-1500. С помощью кондиционера внутри помещения обеспечивается автоматическое поддержание заданной температуры. 2) платиновые термометры сопротивления типа ТСП-50П и ТСП-Н. Термометр сопротивления, чувствительный элемент которого состоит из тонкой спиральной проволоки (обмотки), изолированной и помещенной в металлический защитный чехол с головкой для подключения соединительных проводов, является первичным измерительным преобразователем, питаемым от постороннего источника тока. Внешний вид термометров представлен на рис. 3.2 и рис. 3.3. 3) вычислители количества теплоты ВКТ-4. Принцип работы вычислителя основан на непосредственном преобразовании сигналов преобразователей температуры в информацию об измеряемом параметре с последующим вычислением и представлением на индикатор и внешние устройства вышеуказанного параметра.
Вычислители выполнены в пластмассовом ударопрочном корпусе типа G212, состоящем из двух половин (частей). Две части корпуса соединяются между собой с помощью четырех винтов, расположенных по углам корпуса. Конструкция корпуса обеспечивает степень защиты IP55 по ГОСТ 14254-96. Внешний вид вычислителя приведен на рис. 3.4.
Вывод на индикатор измерительной информации осуществляется с помощью двух кнопок клавиатуры управления. Кнопка обеспечивает возможность вывода на индикацию любой группы параметров, а кнопка «А» - просмотр значений параметров внутри одной группы. Представление информации осуществляется посредством 8-разрядного индикатора, имеющего курсоры, указывающие индицируемый параметр и (или) режим работы прибора, мнемоническое обозначение которых приведено на корпусе (под индикатором). 4) универсальный пиранометр Янишевского М-80.
Пиранометр универсальный типа М-80 предназначен для измерения суммарной радиации, приходящей на горизонтальную поверхность. Для измерения рассеянной радиации пиранометр затеняется от прямой солнечной радиации теневым экраном.
Пиранометр М-80, внешний вид которого изображен на рис. 3.5, состоит из головки с термобатареей и полусферическим стеклянным колпаком, штатива, сушилки и теневого экрана. Приемной частью пиранометра служит термобатарея квадратной формы размером 3x3 см, состоящая из 32-40 полосок длиной 3 см, каждая из которых спаяна из четырех коротких полосок: двух константановых и двух манганиновых. Вследствие такого расположения активных спаев термобатарея окрашена в шахматном порядке: нечетные слои окрашены в черный цвет (сажей), а четные - в белый (магнезией). Стеклянный колпак пиранометра поглощает часть радиации в областях спектра 0,30-0,40 и 2.5-4 мкм, но в этих областях интенсивность Рис.3.5. Внешний вид пиранометра. прямой и рассеянной радиации очень мала. Частичное поглощение стеклянным колпаком не вносит заметных ошибок в результаты измерений радиации пиранометрами. Под действием суммарной солнечной радиации спаи термобатареи, окрашенные в черный цвет, нагреваются сильнее, чем белые спаи, а разность температур спаев вызывает в цепи пиранометр-гальванометр термоэлектрический ток, сила которого пропорциональна измеряемой интенсивности радиации. 5) стрелочный актинометрический гальванометр ГСА-1МА. Гальванометр стрелочный актинометрический предназначен для измерения тока, возникающего в термобатареях термоэлектрических актинометрических приборов.
Процессы теплопереноса в бесчердачных покрытиях
Доля тепловых потерь через покрытия в общем тепловом балансе здания может иметь от 5 % в многоэтажных зданиях до 40-60 % в общественных и производственных строениях малой этажности и большой площади.
Повышение нормативных требований к теплозащите ограждающих конструкций, продиктованное стремлением сократить энергетические затраты, вызвало необходимость реконструировать кровли многих жилых и общественных зданий. Насыпной утеплитель не может быть увеличен по толщине до нового нормативного показателя теплозащиты.
Дефицит кровельных материалов на нынешнем этапе развития строительной отрасли решается путем массового выпуска материалов по Техническим условиям производителей, выпускающих рубероиды и стеклорубероиды различных наименований. Однако их качественные показатели (теплостойкость, гибкость при отрицательных температурах, относительное удлинение) зачастую неприемлемы для устройства кровель на большей части территории России. По мнению [112], в технологические регламенты на устройство различных видов крыш гражданских зданий должны быть включены обязательные требования качества по регламентации срока эксплуатации до первого ремонта (минимум 10 лет), периодичности ремонта (не чаще одного раза в 7 лет) и общего срока эксплуатации кровель (не менее 30 лет).
Между тем, совмещенные крыши зданий испытывают гораздо большие тепловые нагрузки, чем вертикальные ограждающие конструкции. Связано это, прежде всего, с более интенсивным воздействием потока солнечной радиации на горизонтальную поверхность. Как показывают натурные наблюдения [113], асбофанерная крыша может нагреваться до 55-60 С, а рубероидная запыленная - до 70 С. В результате происходит перегрев верхних этажей многоэтажных зданий, что негативно отражается на их микроклимате. Поэтому задача математического моделирования процессов нестационарного теплопереноса в бесчердачных покрытиях представляется особенно актуальной.
Предполагалось, что предшествующая длительность теплообмена настолько велика, что влияние начального распределения температуры (4.3) уже не проявляется. При Т = 0 начальная температура описывалась ломаной кривой, характерной для стационарного состояния. Затем выполнялся расчет температурного поля последовательно в течение пяти суток при периодических изменениях Т (т) и і/(т).
Толщина утепляющего слоя определялась, исходя из требований [5]. Допускалось, что контакт между отдельными слоями бесчердачного покрытия - идеальный, поэтому величина термического контактного сопротивления между ними Rk принималась равной нулю. Термические сопротивления составных конструкций составляли: Ryu= Ryni 3,302 м2-К/Вт, Rlx= 1,848 м2-К/Вт, Rx= 1,469 м2-К/Вт. Совмещенная крыша (VII) относится к общественному зданию, конструкция (VIII) - к жилому, а покрытия (IX, X) - к производственному.
При проведении численных экспериментов температура воздуха в помещении принималась равной teH = teH = 23 С, teH = teH = 25 С. Для всех вариантов коэффициент теплоотдачи на внутренней поверхности покрытий составлял ССв//— 8,7 Вт/(м-К), на внешней - ССи= 20 Вт/(м -К).
В заключении следует отметить, что, рассмотренные в настоящей главе примеры численного моделирования процессов теплопереноса в ограждающих конструкциях в летнее время на основе предложенного метода наглядно продемонстрировали возможность приемлемой оценки теплоустойчивости ограждений.
