Введение к работе
Актуальность работы. После внесения изменений в СНиП П-3-79* в 1995 году, ужесточающих требования к тепловой защите зданий, началась активная работа ученых по разработке наружных ограждений, отвечающих условиям энергосбережения. На законодательном уровне разработка и реализация программ энергосбережения началась в регионах России особенно после вступления в силу Федерального Закона «Об энергосбережении» № 28-фз от 03.04.96 г. Обязательными разделами в этих программах являются научное, правовое и экономическое обоснование энергосберегающих мероприятий, в том числе касающихся повышения теплозащитных свойств стеновых конструкций существующего фонда отапливаемых зданий и зданий нового строительства. Изменения СНиП П-3-79* в 1998 и в 2000 годах активизировали разработку новых неоднородных и многослойных конструкций наружных стен, в том числе с фасадными системами утепления.
Наиболее гигиеничными и экологически чистыми из применяемых в строительстве конструкций считаются конструкции из цельной необработанной древесины. Небольшая по сравнению с кирпичными стенами масса, а также повышенная конструктивная гибкость стен из древесины позволяют применять легкие эффективные мелко заглубленные фундаменты и минимизировать затраты труда на их возведение.
Однако стандартные размеры сечений брусьев и бревен, являющихся фрагментами деревянных наружных ограждений, для ряда территорий России, в частности для Западной Сибири, не отвечают по своим теплотехническим характеристикам современным требованиям. Одним из способов повышения теплозащитных свойств наружных стен из древесины является заполнение продольных осевых отверстий их фрагментов эффективными утеплителями. Обработка огнебиозащитными и гидрофобизирующими составами наружных и внутренних поверхностей фрагментов увеличивает их эксплуатационную надежность. Доступность современных облицовочных и утепляющих материалов в настоящее время позволяет «крепкие» деревянные дома, не представляющие архитектурное наследие в виде памятников деревянной архитектуры, утеплять различными фасадными системами.
Таким образом актуальность темы диссертационной работы обусловлена необходимостью повышения теплозащитных свойств деревянных наружных ограждений, применяемых в индивидуальном и производственном домостроении в холодных климатических зонах России. Актуальность диссертационных исследований подтверждается выполнением их в рамках программы Федерального агентства по образованию "Развитие научного потенциала высшей школы" (Подпрограмма 2. Прикладные исследования и разработки по приоритетным направлениям науки и техники, код проекта 7756), межотраслевой программы Министерства образования РФ в ТГАСУ (Проект № ТО2-01.2-881) и гранта празад^нW JU^fe для-нодцержки молодых российских ученых и ведущих научнык шкод|ЭДК|5%|.2003.8).
Целью работы является исследование закономерностей
нестационарного теплопереноса в неоднородных наружных брусчатых и бревенчатых стенах зданий с повышенными теплозащитными свойствами.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
разработать перспективные по критерию энергосбережения конструктивные схемы утепления брусчатых и бревенчатых стен зданий и дать их экономическое обоснование;
разработать физико-математические модели теплопереноса в неоднородных брусе и бревне и их программно-алгоритмическое сопровождение;
провести экспериментальное исследование теплопереноса в неоднородной брусчатой стене для установления адекватности математической модели и ее верификации;
используя математическое моделирование исследовать закономерности плоского и пространственного теплопереноса в предлагаемых деревянных конструкциях стен с внутренними и внешними системами утепления;
разработать инженерную методику расчета для определения сопротивления теплопередаче неоднородной брусчатой стены с фасадной системой утепления на гибких связях.
Научная новизна работы:
разработан эффективный программно-алгоритмический комплекс для исследования нестационарного двух- и трехмерного теплопереноса в неоднородных фрагментах брусчатых и бревенчатых стен зданий;
на основе комплексного теоретико-экспериментального исследования установлен механизм нестационарного двумерного теплопереноса в неоднородных деревянных фрагментах брусчатых и бревенчатых стен зданий. Показано, что наибольшие возмущения полей температуры и плотностей тепловых потоков наблюдаются в местах стыка древесины с теплоизолирующими вставками;
установлено наличие поперечного сечения в утепленном брусе с минимальным значением трансмиссионной теплоты, до которого теплота отводится от оси бруса на периферию, а после которого, наоборот, подводится с периферии к его оси. Показано, что теплозащитная эффективность утепленного бруса на 15 4- 20 % выше, чем теплозащитная эффективность утепленного бревна. Выявлено, что предложенный способ утепления брусчатых и бревенчатых стен зданий позволяет уменьшить тепловые потери на 10-40 % при одновременном снижении массы на 17-48 %;
на основе численного решения задачи нестационарного трехмерного теплопереноса в неоднородной брусчатой стене с фасадной системой утепления на гибких связях установлено, что применение фасадной системы утепления снижает тепловые потери через стену в 1,8 раза;
получены новые расчетные зависимости для определения сопротивления теплопередаче неоднородной брусчатой стены с фасадной системой утепления на гибких связях.'"
Достоверность полученных результатов подтверждается их сравнением с известными аналитическими решениями и сопоставлением данных теории и эксперимента.
Практическая значимость и реализация результатов исследований:
разработан комплекс методик и программ расчета для проведения экспресс-диагностики теплового состояния проектируемых неоднородных брусчатых и бревенчатых стен зданий, оценки их теплоустойчивости и теплозащитной эффективности;
разработана методика инженерного расчета сопротивления теплопередаче неоднородной брусчатой стены с фасадной системой утепления на гибких связях;
определены коэффициенты теплотехнической однородности и составлены номограммы по рекомендуемым толщинам наружных брусчатых стен с различными системами фасадного утепления для некоторых городов России;
разработанные программы расчета используются для установления закономерностей двумерного и трехмерного теплопереноса в проектируемых деревянных ограждениях на предприятии «Томскжилстрой», а отдельные программные модули применяются в учебном процессе Томского ГАСУ.
На защиту выносятся:
новые конструктивные схемы утепления брусчатых и бревенчатых стен зданий с повышенными теплозащитными свойствами;
физико-математические постановки задач и численные методики расчета нестационарного двух- и трехмерного теплопереноса в неоднородных деревянных ограждающих конструкциях зданий с внутренним и внешним утеплением;
инженерная методика расчета для определения сопротивления теплопередаче неоднородной брусчатой стены с фасадной системой утепления на гибких связях;
результаты экспериментальных исследований по установлению адекватности математической модели и выявлению закономерностей теплопереноса в неоднородной брусчатой стене;
результаты параметрических численных исследований по установлению закономерностей теплопереноса и влияния теплофизических и геометрических характеристик древесины и утепляющих вставок на теплозащитные свойства брусчатых и бревенчатых стен зданий.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на научных семинарах кафедры теплогазоснабжения Томского государственного архитектурно- строительного университета (9 ноября 2004 г., 8 декабря 2005 г.), на XXVIII Сибирском теплофизиче-ском семинаре (1-5 октября 2004 г., гг. Москва-Новосибирск), на международной научно-практической конференции - семинаре «Архитектура и строительство. Наука и образование как фактор оптимизации среды жизне-
деятельности» (11-16 октября 2004 г., г. Хаммамет, Тунис), на четвертой Всероссийской конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики» (5-7 октября 2004 г., г. Томск), на всероссийской конференции молодых ученых «Наука. Технологии, Инновации» (2-5 декабря 2004 г., г. Новосибирск), на всероссийской научно-практической конференции «Сибири - новые технологии в архитектуре, строительстве и жилищно-коммунальном хозяйстве» (22 апреля 2005 г., г. Красноярск), на международной конференции « Сопряженные задачи механики, информатики и экологии» (5-Ю июля 2004 г., г. Томск), на региональной научно-методической конференции «Проблемы инженерного образования» (20-21 апреля 2004 г., г. Томск), на Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы строительства и экологии в Западной Сибири» (13 мая 2005 г., г. Тюмень), на международной научно-технической конференции «Теоретические основы теплогазоснабже-ния и вентиляции» (23-25 ноября 2005 г., г. Москва).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 12 работах, список которых приведен в конце автореферата. Из них 3 патента на полезные модели и 9 статей в журналах, депонированных и сборниках избранных докладов конференций.
Личный вклад автора заключается в научном обосновании разработок, защищенных патентами на полезные модели (№ 40344, № 38793, 49053); физической и математической постановках задач нестационарного двух- и трехмерного теплопереноса в неоднородных брусчатых и бревенчатых стенах зданий; проведении и обработке экспериментов; проведении численных расчетов и анализе их результатов.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из - введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 184 наименований, 4 приложений и содержит 136 страниц основного текста, в том числе 59 рисунков, 1 таблицу, 21 фотографию.
По вопросам, относящихся к разработке инженерных методов расчета и практического применения научных разработок диссертанта научным консультантом являлся д.т.н., профессор Цветков Николай Александрович.
