Введение к работе
Актуальность работы. Проблема энергосбережения относится к приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники Российской Федерации. Особое место в решении данной проблемы отводится наружным стенам гражданских зданий, теплотехнические характеристики которых не обеспечивают требуемый уровень теплозащиты.
Обеспечить современные требования по приведенному сопротивлению теплопередаче наружных стен зданий, используя однослойные и однородные конструкции, при соблюдении приемлемых толщин не представляется возможным. Поэтому становится очевидным необходимость в разработке новых технических решений неоднородных наружных стен зданий из штучных элементов, бетонов и древесины с повышенными теплозащитными свойствами, особенно для районов с холодными климатическими условиями. При теплотехнических расчетах таких неоднородных ограждающих конструкций в первую очередь необходимо иметь достоверную информацию о закономерностях формирования в них полей температуры и тепловых потоков.
Эта необходимость определяет актуальность теоретико-экспериментальных исследований закономерностей нестационарного двумерного и трехмерного теплопереноса в неоднородных наружных стенах зданий с мало- и высокотеплопроводными включениями в виде утепляющих вставок, гибких связей, металлических профилей и деревянного каркаса. Такая информация даст возможность повысить точность теплотехнических расчетов ограждающих конструкций и, как следствие, уменьшить расход строительных материалов и изделий при возведении зданий без нарушения требований к теплотехническим показателям наружных стен.
Актуальность диссертационных исследований подтверждается выполнением их в рамках следующих госбюджетных тем: программы «Архитектура и строительство» (тема 2.3.12.1 - 1998-1999 гг. - «Разработка технологии проволочных коннекторов для наружных стен из штучных материалов и несъемных опалубок»,); гранта по фундаментальным исследованиям в области архитектуры и строительных наук (1999-2000 гг. -«Теоретическое обоснование и теплофизические испытания конструкций наружных стен из штучных материалов с использованием коннекторов»); межотраслевой программы Министерства образования РФ (тема ТО2-01.2-881 -2002-2003 гг. - «Алгоритмизация управления тепловыми процессами теплопроводности в составных телах при радиационно-конвективном подводе теплоты»); гранта Президента РФ для поддержки молодых российских ученых и ведущих научных школ (тема МК-1812.2003.08 - 2003-2004 гг. - «Исследование тепломассопереноса в плоских системах с попереч-
ными и продольными включениями»); ведомственной научной программы «Развитие научного потенциала высшей школы» (код проекта №7756 -2005 г. - «Развитие естественно-научных основ перспективных технологий строительства, реконструкции и ремонта наружных ограждающих конструкций зданий»); гранта Президента РФ для поддержки молодых российских ученых и ведущих научных школ (тема МК 5186.2006.8 - 2006-2007 гг. - «Развитие теории тепломассопереноса в неоднородных теплоэффек-тивных наружных стенах зданий»); гранта Российского фонда фундаментальных исследований (код проекта 06-08-96916-р_офи - 2006-2007 гг. -«Развитие научных основ перспективных энергосберегающих технологий строительства и реконструкции наружных ограждений деревянных зданий»); государственного контракта № 4808р/7038 от 16 января 2007 г. -«Разработка клееных деревянных ограждающих конструкций с улучшенными теплозащитными свойствами для элитного домостроения».
Объектом исследования являются неоднородные наружные стены зданий из штучных элементов, бетонов и древесины с мало- и высокотеплопроводными включениями.
Предметом исследования является тепловлажностное состояние и закономерности формирования температурных полей и тепловых потоков в неоднородных наружных стенах зданий из штучных элементов, бетонов и древесины с мало- и высокотеплопроводными включениями.
Целью работы является развитие теоретических основ и создание методологии расчета и прогнозирования теплозащитных свойств перспективных неоднородных наружных стен зданий из штучных элементов, бетонов и древесины.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
разработать методологию создания оптимальной ограждающей конструкции, удовлетворяющей прочностным, теплотехническим, технологическим, экологическим, экономическим и архитектурно-эстетическим требованиям;
-
разработать перспективные технические решения неоднородных наружных стен зданий из штучных элементов, бетонов и древесины;
-
провести экспериментальные исследования надежности крепления гибких металлических и стеклопластиковых связей в кладочном растворе кирпичной кладки;
-
разработать физико-математические модели нестационарного те-плопереноса в перспективных неоднородных наружных стенах зданий с мало- и высокотеплопроводными включениями;
-
разработать математическую модель и выполнить численное исследование процессов нестационарного тепловлагопереноса в деревянных наружных стенах зданий;
-
провести теоретическое исследование закономерностей формирования полей температуры и тепловых потоков в неоднородных наружных стенах зданий в области расположения включений в широком диапазоне изменения их теплофизических и геометрических характеристик;
-
разработать средства измерения и методики по определению коэффициентов теплопроводности строительных материалов и изделий и локальных тепловых потоков через наружные ограждения;
8) провести экспериментальное исследование теплозащитных
свойств разработанных новых технических решений неоднородных ограж
дающих конструкций из штучных элементов, бетонов и древесины с мало-
и высокотеплопроводными включениями;
9) разработать пакеты прикладных программ для теплофизического
обоснования и прогнозирования теплозащитных свойств неоднородных
наружных стен зданий;
10) усовершенствовать инженерную методику расчета приведенно
го сопротивления теплопередаче неоднородных наружных стен зданий с
фасадными системами утепления на гибких связях, металлических профи
лях и на деревянном каркасе.
Методы исследований. Физическое и математическое моделирование физических процессов; системный подход и оптимизация; многовариантные расчеты; сравнительный анализ; экспериментальные исследования в климатической камере объемом 58 м3 с использованием современного оборудования и приборов неразрушающего контроля.
Научная новизна исследований заключается в развитии теоретических положений тепломассопереноса применительно к новым техническим решениям неоднородных наружных стен зданий, что конкретизируется следующим.
-
Разработан методологический подход создания перспективных неоднородных наружных ограждающих конструкций зданий на основе решения задач тепломассопереноса с использованием информационных технологий при обеспечении прочностных, технологических, экологических, экономических и архитектурно-эстетических требований.
-
Предложены новые технические решения неоднородных наружных стен зданий из штучных элементов, бетонов и древесины, позволяющие обеспечить требуемый уровень теплозащиты при минимальной толщине и массе.
-
На основе результатов численного и экспериментального исследования двумерного и трехмерного теплопереноса в неоднородных стенах
с мало- и высокотеплопроводными включениями постоянного поперечного сечения выявлены новые закономерности формирования температурных полей и тепловых потоков:
в неоднородной стене с включением распределение перепадов температуры между температурами на оси включения и температурами вне зоны его влияния в направлении теплового потока имеет два экстремума, расположенных в плоскостях (на линиях), ограничивающих толщину утепляющего слоя или диаметр утепляющей вставки;
зона влияния металлического коннектора диаметром 0,004 м на температурное поле стены не превышает 0,06 м, а металлического профиля толщиной 0,0015 м и деревянного бруска каркаса толщиной 0,05 м не превышает 0,1 м;
трансмиссионный тепловой поток в разных сечениях по длине включения переменен и имеет один экстремум, причем для высокотеплопроводных включений в точке экстремума он максимальный, а для малотеплопроводных включений - минимальный.
-
Установлено, что тепловые потери через наружные стены при одинаковой толщине утепляющего слоя в фасадной системе утепления на металлических профилях меньше, чем в случае использования деревянного каркаса (для климатических условий г. Томска при утеплении керамзи-тобетонной стены эта разница достигает более 26 %).
-
Установлено, что для условий Западной Сибири при равновеликих площадях поперечных сечений утеплителя и древесины теплозащитная эффективность утепленного бруса более чем на 15 % выше утепленного бревна.
-
На основе результатов численного исследования совместного тепловлагопереноса в брусчатой стене за пятилетний цикл ее эксплуатации установлено, что неучет термовлагопроводности приводит к изменению среднего влагосодержания стены до 10 %.
-
Усовершенствована методика расчета приведенного сопротивления теплопередаче неоднородных наружных стен зданий, утепленных фасадными системами с включениями в виде гибких связей, металлических профилей и деревянного каркаса, путем введения поправочных коэффициентов, определенных для различных геометрических и теплофизических характеристик материалов конструкций.
Достоверность основных положений и выводов подтверждается достаточной их обоснованностью, правомерностью сделанных допущений и обеспечена:
- тестированием программных модулей путем сравнения результа
тов численного решения с известными аналитическими решениями для
стационарного теплопереноса;
сопоставлением результатов, полученных численным методом, с результатами экспериментов;
применением современных методов и средств расчета, приборов и научного оборудования с необходимым объемом статистики, обеспечивающих достаточный уровень надежности результатов математического моделирования, экспериментальных исследований и измерения теплофи-зических свойств материалов;
отсутствием в полученных результатах противоречий с общепризнанными теоретическими представлениями.
Теоретическая значимость полученных результатов заключается в развитии положений о закономерностях теплопереноса в неоднородных наружных стенах зданий с мало- и высокотеплопроводными включениями и научном обосновании методики расчета приведенного сопротивления теплопередаче неоднородных наружных стен зданий с фасадными системами утепления на гибких связях, металлических профилях и на деревянном каркасе.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
разработаны новые технические решения неоднородных наружных стен зданий из штучных элементов, бетонов и древесины, позволяющие обеспечить требуемый уровень теплозащиты при минимальной толщине и массе;
доказано, что с теплотехнической точки зрения использование систем фасадного утепления на металлических профилях более выгодно по сравнению с системами фасадного утепления на деревянном каркасе;
усовершенствована методика инженерного расчета приведенного сопротивления теплопередаче неоднородных наружных стен зданий с системами фасадного утепления на гибких связях, металлических профилях и на деревянном каркасе;
разработана конструкция тепломера, позволяющая снизить влияние осевой теплопроводности и повысить чувствительность преобразователя теплового потока;
разработаны пакеты прикладных программ для теплофизического обоснования и прогнозирования теплозащитных свойств неоднородных наружных стен зданий;
разработаны таблицы поправочных коэффициентов, учитывающих перераспределение теплоты внутри неоднородных конструкций с системами фасадного утепления на металлических профилях и на деревянном каркасе;
установлено, что усилия вырыва металлических коннекторов с изгибом их заделочной части на угол 90 из кладочного раствора кирпичной кладки составляют 5,7-6,4 кН;
- установлены зоны влияния высокотеплопроводных включений в
виде коннекторов, металлических профилей и деревянных брусков каркаса
на температурное поле стены.
Реализация результатов исследования. Основные положения работы и полученные результаты нашли отражение в Территориальных строительных нормах Томской области «Отопление, вентиляция и кондиционирование», в которых автор является одним из основных разработчиков и приняты к использованию следующими проектными и строительными организациями: Томским проектно-сметным бюро, «Энергострой», «Томпред», «Лесинвест», «Профлес», «Стройиндустрия 2000», «АКФЭС». Использование в производстве патентов, рекомендаций и разработок диссертанта позволило подготовить: технические условия на клееный деревянный брус с утепляющими вставками; проектную документацию на устройство фасадных систем утепления для пяти жилых многоэтажных зданий в г. Томске.
Результаты исследований используются в курсовом и дипломном проектировании Томского государственного архитектурно-строительного университета и Алтайского государственного технического университета. В Томском государственном архитектурно-строительном университете отдельные теоретические результаты включены в лекционные курсы «Строительная теплофизика» и «Тепломассообмен» для специальности 270109 «Теплогазоснабжение и вентиляция». Разработанные установки и приборы используются в лабораторных работах студентов и при выполнении энергетических обследований зданий жилого и общественного назначения.
На защиту выносятся:
методология теплофизического обоснования и прогнозирования теплозащитных свойств ограждающих конструкций зданий на основе решения задач тепломассопереноса с использованием информационных технологий при обеспечении прочностных, технологических, экологических, экономических и архитектурно-эстетических требований.
новые технические решения неоднородных наружных стен зданий из бетонов и древесины с повышенными теплозащитными свойствами;
физико-математические модели нестационарного двумерного и трехмерного теплопереноса в неоднородных наружных стенах зданий с повышенными теплозащитными свойствами;
закономерности формирования полей температуры и плотностей тепловых потоков в зонах влияния мало- и высокотеплопроводных включений в наружных стенах зданий;
обоснование надежности крепления металлических и пластиковых коннекторов в кладочном растворе кирпичной кладки;
- расчетные зависимости для определения приведенного сопротивления теплопередаче неоднородных наружных стен зданий с мало- и высокотеплопроводными включениями.
Пути дальнейшей реализации работы связаны с организацией производства по выпуску тонкостенных полиэтиленовых труб с пенопо-лиуретановой тепловой изоляцией для использования в малоэтажном монолитном домостроении и организацией производства по выпуску клееного деревянного элемента и бруса на его основе для коттеджного строительства и возведения мансард при реконструкции зданий.
Апробация работы в виде докладов и обсуждений основных положений и результатов исследования проходила на следующих семинарах и конференциях: на Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы строительного материаловедения» (г. Томск, 1998 г.); на научно-технической конференции «Архитектура и строительство. Наука, образование, технологии, рынок» (г. Томск, 1999 г.); на Международной научно-технической конференции «Проблемы международного сотрудничества в области архитектуры, строительства и охраны окружающей среды» (г. Хаммамет, 2000 г.); на Всероссийском совещании «Энергосбережение и энергетическая безопасность регионов России» (г. Томск, 2000 г.); на I всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Материалы и технологии XXI века» (г. Бийск, 2000 г); на научно-технической конференции «Архитектура и строительство. Наука, образование, технологии, рынок» (г. Томск, 2002 г.); на Международной научно-практической конференции «Архитектура, строительство, экология» (г. Барселона, 2002 г.); на Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы архитектуры и строительства» (г. Майорка, 2003 г.); на Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы архитектуры и строительства» (г. Лимассол, 2003 г.); на VIII международной научно-практической конференции «Качество - стратегия XXI века» (г. Томск, 2003 г.); на XXVII сибирском теплофизическом семинаре (г. Москва-Новосибирск, 2004 г.); на Международной конференции «Сопряженные задачи механики, информатики и экологии» (г. Томск, 2004 г.); на Международной конференции «Сопряженные задачи механики, информатики и экологии» (г. Горно-Алтайск, 2004 г.); на региональной научно-методической конференции «Проблемы инженерного образования» (Томск, 2004 г.); на Международной научно-технической конференции «Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции» (г. Москва, 2005 г.); на научно-практической конференции «Актуальные проблемы строительства и экологии в Западной Сибири» (г. Тюмень, 2005 г.); на V всероссийской конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики» (г. Томск, 2006 г.); на Всероссийской
научно-практической конференции «Проблемы строительства, экологии и энергосбережения в условиях Западной Сибири» (г. Тюмень, 2006 г.); на научно-технической конференции «Строительная физика в XXI веке» (г. Москва, 2006 г.). Работа в полном объеме докладывалась в Институте теплофизики СО РАН (г. Новосибирск), Томском, Новосибирском, Тюменском и Нижегородском государственных архитектурно-строительных университетах, Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии (г. Омск), Иркутском ГТУ, Восточно-Сибирском ГТУ (г. Улан-Удэ), Якутском государственном университете им. Аммосова, Институте физико-технических проблем Севера СО РАН (г. Якутск).
Публикации. По материалам выполненных исследований опубликована 71 печатная работа, в том числе 1 монография, 31 статья (13 статей из перечня ВАК, 4 статьи в журнале «ИФЖ»), 27 публикаций в виде материалов конференций и тезисов докладов, 2 свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ и 10 патентов на полезные модели.
Личный вклад автора заключается в создании методологии теп-лофизического обоснования неоднородных наружных стен зданий, разработке новых технических решений неоднородных наружных стен зданий из бетонов и древесины, построении физико-математических моделей теп-ломассопереноса, проведении теоретических и экспериментальных исследований, в анализе и обобщении полученных результатов исследования, формулировке выводов и рекомендаций, разработке методики расчета приведенного сопротивления теплопередаче неоднородных наружных стен зданий с мало- и высокотеплопроводными включениями.
Автор выражает благодарность за помощь в разработке алгоритмов и программ расчета д.ф.-м.н., профессору Кузину Александру Яковлевичу.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, выводов по диссертации, списка использованной литературы и приложения. Работа имеет общий объем 358 страниц текста, содержит 33 таблицы, 150 рисунков, список использованной литературы из 345 наименований и приложение.
Похожие диссертации на Теплофизическое обоснование новых неоднородных наружных стен зданий и прогнозирование их теплозащитных свойств
