Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Состояние вопроса.
1.1. Конструкция теплого чердака жилого здания 14
1.2. Зимний тепловоздушный и влажностный режим теплого чердака 18
1.3. Теплозащитные свойства ограждающих конструкций теплых чердаков жилых зданий 31
1.4. Методы расчета нестационарного теплового режима помещения 42
1.5. Цель и задачи исследования 45
ГЛАВА 2. Теоретическое исследование теші0в03душного и тепловлажн0стн0г0 режима чердака и пршгегающик жилых помещений .
2.1. Инженерная постановка задачи 47
2.2. Внутренний теплообмен в помещении теплого чердака 50
2.3. Физико-математическая модель нестационарных тепловых процессов на чердаке и в прилегающих жилых помещениях 57
2.4. Динамические характеристики помещений 73
2.5. Физико-математическая модель тепловлажностного режима теплого чердака в периоды похолоданий 79
2.6. Алгоритм и программа расчета нестационарного тепловоздушного и тепловлажностного режима систеьш "жилое помещение - теплый чердак"
2.6.1. Алгоритм расчета - З Стр.
2.6.2. Программа расчета на ЭВМ 88
ВЫВОДЫ 90
ГЛАВА 3. Натурное исследование теіш0в03дшн0го решила помещений жилого здания .
3.1. Цели исследования 91
3.2. Методика проведения натурного исследования 91
3.3. Методика обработки экспериментальных данных
3.3.1. Теплый чердак 97
3.3.2. Жилая квартира, прилегающая к теплому чердаку 99
3.4. Результаты натурного исследования
3.4.1. Теплый чердак 102
3.4.2. Жилая квартира, прилегающая к теплому чердаку НО
3.5. Оценка точности измерений
3.5.1. Систематическая ошибка измерений 114
3.5.2. Случайная ошибка измерений 118
3.5.3. Погрешность и минимальное число измерений 1 3.6. Сравнение результатов теоретических и натурных исследований в помещении теплого чердака 124
3.7. Сравнение результатов теоретических и натурных исследований в жилых помещениях, прилегающих к
теплому чердаку 139
ВЫВОДЫ 168
4.1. Тепловой режим теплого чердака 171
4.1.1. Исходные данные 172
4.1.2. Выбор температуры наружного воздуха для теплотехнического расчета ограждающих конструкций теплого чердака 180
4.2. Влажностный режим теплого чердака 191
ВЫВОДЫ 215
ГЛАВА 5. Технико-экономические показатели ограждающих конструкций теплого чердака жилого здания .
5.1. Сравниваемые конструкции теплого чердака жилого здания 217
5.2. Тепловоздушный режим чердака и прилегающих жилых помещений при различных конструкциях чердачного перекрытия и покрытия здания 220
5.3. Экономическое сравнение конструкций теплого чердака жилого здания 233
Выводы 237
Литература
- Зимний тепловоздушный и влажностный режим теплого чердака
- Внутренний теплообмен в помещении теплого чердака
- Жилая квартира, прилегающая к теплому чердаку
- Тепловоздушный режим чердака и прилегающих жилых помещений при различных конструкциях чердачного перекрытия и покрытия здания
Зимний тепловоздушный и влажностный режим теплого чердака
Обычная методика теплотехнического расчета ограждающих конструкций, предусмотренная нормами [її] для отапливаемых зданий, не может быть использована вследствие особых условий эксплуатации теплого чердака. Обоснованная методика теплотехнического расчета ограждающих конструкций теплого чердака может быть составлена после изучения его тепловоздушного и влажностного режима.
Попытки [ , 5] составления уравнения теплового баланса теплого чердака с учетом возможных теплопоступлений и теплопотерь к решению вопроса не привели. Тепловые потоки на теплом чердаке (рис. 1.2) составляют подвижную и взаимосвязанную систему, при расчете которой можно будет определить минимальную теплозащиту покрытия при условии минимальных теплопотерь через чердачное перекрытие прилегающих к теплому чердаку жилых помещений. Для надежности расчета применим вероятностный метод с использованием коэффициента обеспеченности С12], учитывающего изменчивость наружного климата и теплозащитных свойств конструкции [З, 7].
В основу теплотехнического расчета положим условия ограничения теплопотерь через чердачное перекрытие жилых помещений на верхнем этаже здания и отсутствия конденсата на внутренней поверхности наружных ограждений теплого чердака.
Теплопоступления в помещение теплого чердака имеют место с нагретым и влажным воздухом вытяжной вентиляции дома, через чердачное перекрытие и от теплопроводов систем отопления и горячего водоснабжения, проложенных на чердаке; теплопотери - через покрытие и наружные стены. Таким образом, тепловоздушный и влажностный
Схема тепловых потоков в пределах теплого чердака жилого здания режим теплого чердака, т.е, его микроклимат определяется в основ ном работой системы вытяжной вентиляции и теплозащитой ограждений В зимних условиях наиболее существенными параметрами микро климата теплого чердака являются: воздуха \Ґв , его относительная влажность в и влагосодержание При этом не учитывали неравномерности распределения температуры в объеме чердачного помещения, что искажало тепловой режим.
Действительно, конструктивные особенности теплого чердака обуславливают появление двух зон воздушных потоков: зоны струйной циркуляции и зоны естественной конвекции. В результате возникает горизонтальная и вертикальная стратификация температуры воздуха. Это положение было выявлено при изучении результатов натурных исследований [4-6, 8, 14, 15] в различных климатических районах Советского Союза при различных конструкциях ограждений теплого чердака. Следует отметить, что значение UB , рассчитанное по формуле (I.I), близко к значению te , осредненному по результатам замеров. Данные по градиентам температуры воздуха нигде не систематизированы, и этот вопрос требует дополнительных ис - 21 зледований. Кроме того, данных натурных замеров [4, 5, 8, 15] недостаточно для определения ив из-за ограниченного числа датчиков в измерительных схемах.
Удаляемый из теплого чердака в атмосферу воздух имеет температуру, близкую к Ів [4 - 6, 8, 14. 15].
Исследованиями - 6, 14, I5j установлено, что "ЦЕНТ превышает t? на I - 2Сча объем Интпревышает нормативный в среднем на 35 %. Повышение сравнению с ТГ объясняется Мпоступ-лением более теплого воздуха из кухонь и санитарных узлов. При смешивании с воздухом хилых комнат происходит также выравнивание влажности удаляемого воздуха, в результате чего Юв характеризует средневзвешенную влажность всех жилых помещений здания. Замеренные на московских объектах значения 10 находятся в пределах 18 -42 %, В последние годы наблюдается снижение среднего значения If) от 35 до 29 % [5, 6, 14], что объясняется уменьшением плотности заселения жилых домов в Москве и применением электрических плит для приготовления пищи. В зданиях о газовыми плитами в кухнях V0 выше и составляет примерно 40 % [l5]. Низкая относительная влажность воздуха в жилых комнатах (менее 40 %) наблюдается в 72 обследованных квартир крупнопанельных зданий [Хб]. Следовательно, эксплуатационная влажность воздуха в теплом чердаке не превышает относительной влажности воздуха жилых комнат (30 - 40 ).
Внутренний теплообмен в помещении теплого чердака
Согласно описанной (п. I.I) конструкции, теплый чердак представляет собой вентиляционную камеру, в которую поступает влажный воздух из всех вентиляционных каналов здания и из которой воздух удаляется через единую вытяжную шахту, т.е. является элементом системы вытяжной вентиляции здания. Количество воздуха, удаляемого из квартир, которое поступает на чердак, определяется расчетом воздушного режима всего здания. Вопросы воздушного режима здания в настоящей работе подробно не рассматриваются, а расчет выполнялся по действующей методике [5?]. Наличие струйных потоков в помещении теплого чердака обуславливает теплообмен и приводит к существованию вертикального и горизонтального градиента температуры, который определяется экспериментальным путем.
Необходимым условием обеспечения нормального тепловлажност-ного режима на чердаке является отсутствие в основной период времени конденсации влаги на его ограждающих конструкциях. Количество влаги, поступающей на чердак, зависит прежде всего от источника энергии (газ или электричество), используемой для приготовления пищи, а также от плотности заселения дома.
Теплый чердак соприкасается через чердачное перекрытие с жилыми помещениями на верхнем этаже здания, т.е. выполняет теплозащитные функции. Задачей теплотехнического расчета теплого чердака является определение минимальной теплозащиты покрытия при условии минимальных теплопотерь через чердачное перекрытие прилегающих жилых помещений.
Необходимым условием получения нормального температурного режима жилых помещений на верхнем этаже здания является ограничение 4С различия между температурой воздуха на отметке 1,5 м от пола (зона дыхания) и температурой внутренней поверхности чердачного перекрытия [її]. Б эти помещения поступает теплота от отопительных приборов, солнечной радиации и бытовых приборов и теряется теплота через наружные ограждения, через чердачное перекрытие, с поступлением инфильтрационного и вентиляционного воздуха (см. рис. 2.1).
Тепловой баланс чердака складывается (рис. 2.1) из теплопо-ступлений с вентиляционным воздухом, через перекрытие над жилым этажом и от теплопроводов систем отопления и горячего водоснабжения, проложенных на чердаке; из теплопотерь через наружные ограждения.
Для жилых зданий характерен переменный режим эксплуатации. Отмеченная особенность, а также периодически изменяющееся воздействие метеорологических факторов обуславливает динамику теплового режима системы "жилое помещение - теплый чердак", который имеет нестационарный характер.
Проектирование теплых чердаков и помещений на верхнем этаже жилых зданий проводится для условного стационарного режима при фиксированных параметрах наружного и внутреннего воздуха без анализа динамики их теплового режима, связанной с воздействием солнечной радиации, проветривания и бытовых теплопоступлений. При резком понижении (ниже расчетной) температуры наружного воздуха не исключено выпадение влаги на внутренней поверхности наружных ограждений теплого чердака. В связи с этим в настоящей главе необходимо решить следующие задачи: а) рассмотреть внутренний теплообмен в помещении теплого чердака, обусловленный циркуляцией воздушных потоков и определить Схема тепловых потоков системы "жилое помещение - теплый чердак" -Безрасчетные зависимости для коэффициентов теплоотдачи на поверхности ограждений; б) разработать математическую модель нестационарных тепловых процессов на чердаке и в прилегающих жилых помещениях, то есть определить расчетные зависимости для температуры внутреннего воз духа, внутренней поверхности наружных ограждений, внутренних ог раждений и чердачного перекрытия, а также расчетные зависимости для определения динамических характеристик; в) разработать математическую модель нестационарных тепловлаж ностных процессов на теплом чердаке в периоды резких зимних похо лоданий, то есть установить зависимости для расчета количества выпадающей влаги, а также продолжительности периода времени, в течение которого влажность строительных конструкций уменьшится до нормативного значения для оценки влияния увлажнения покрытия на его термическое сопротивление.
Движение воздуха в помещении теплого чердака определяется работой системы вытяжной вентиляции. Это подтверждают натурные исследования (см. главу 3).
Воздух поступая из вентиляционных блоков, образует в помещении теплого чердака систему вертикально направленных струй (рис. 2.2). Сталкиваясь с плоскостью потолка, вытяжной воздух веерообразно растекается. Потоки воздуха, огибая балки под потолком чердака, распространяются по законам полуограниченной струи. Движение вытяжного воздуха под потолком связано с действием "эффекта Коанда" и архимедовых сил вследствие вертикального градиента температуры. Распространяясь вдоль потолка, струи в результате турбулентного перемешивания подсасывают окружающий воздух.
Жилая квартира, прилегающая к теплому чердаку
Степень теплозащиты наружных ограждений помещений оказывает влияние не только на теплоизоляционные, но и на инерционные свойства ограждений и помещений в целом, которые определяют нестационарный тепловой режим. Количественной характеристикой инерционных свойств ограждений и помещения являются динамические характеристики, которые представляют собой переходные функции, показывающие характер изменения температуры воздуха помещения, а также температуры ограждений при импульсных возмущениях по внутренним, либо наружным параметрам. В случае единичного импульсного возмущения (скачкообразное изменение температуры наружного воздуха, теплопроизводительности отопительного прибора, температуры вентиляционного воздуха и т.д.) температура внутреннего воздуха и ограждений может быть представлена в виде суммы слагаемых от отдельных видов возмущений в следующем виде: где Д2)і,д2)а,д2)з,д2);,д2)5,д2)б - возмущения, определяемые по формулам (ИЗ) или (114) (приложение 2).
В соответствии с уравнением (2.61) отклонение температуры внутреннего воздуха от начального стационарного состояния определится как произведение вoзмущeния на соответствующую ему характеристическую функцию (ЛоОк Ск )
Каждое возмущение дЮк имеет четкий физический смысл. Первое (д2)і) объединяет возмущения, условно принимаемые как безине-рционные и воздействующие непосредственно на воздух помещения (инфильтрация, изменение теплоотдачи отопительных приборов, теплота, вносимая вентиляционным воздухом и т.д.); второе (дaJz) объединяет возмущения, действующие на наружную поверхность-массивных наружных ограждений (температура наружного воздуха и солнечная радиация); третье (д2)з) учитывает лучистое тепло от внутренних источников и проникающую через окно солнечную радиацию, действующие на внутреннюю поверхность наружных ограждений; четвертое учитывает лучистое тепло от тех же источников, попадающее на внутреннюю поверхность внутренних ограждений; пятое (AJjs) учитывает возмущения, действующие на наружную (по отношению к рассматриваемому помещению) поверхность чердачного перекрытия; шестое учитывает лучистое тепло от внутренних источников и проникающую через окно солнечную радиацию, действующие на поверхность чердачного перекрытия, обращенную в рассматриваемое помещение ,
Входящие в уравнение (2.61) характеристические функции G , U2 и Т.Д. представляют собой ряды экспоненциальных функций:
Уравнения (2.61) - (2.74) полностью решают задачу о температурном режиме помещения при единичном импульсном возмущении.
При использовании уравнений типа (2.61) - (2,74) наиболее громоздкими являются расчеты, связанные с вычислением корней характеристических уравнений и коэффициентов ki.o ;Bd.l и т.д. Для их определения следует использовать ЭЦВМ. TBJ-U2)I )A O+A&A»+A2 .AU + д5и«.о+д 5А5.о+дЮбА6.о (2.75) Последнее выражение может быть также получено из уравнения теплового баланса в стационарном состоянии. При этом следует определять ДЛЯ —-0 .
Анализ уравнения (2.61) показывает, что импульсное возмущение вызывает при V = 0 мгновенное изменение температуры внутреннего воздуха, связанное с воздействием составляющих теплового баланса помещения условно принимаемых как безинерционные (воздействие инфильтрующегося воздуха, теплоты, вносимой вентиляционным воздухом и т.д.). Затем следует плавное изменение температуры внутреннего воздуха, вызываемое действием инерционных ограждений. Поэтому амплитуда начального скачка ( f = 0), как это вытекает из уравнения (2.61) будет равна: L0L = A&(A,O-2Bu) (2.76) может быть определена из (4-) или (13) Величина ul, 1" П о (приложение 2): "Ьвп"Ібп (2.77) О 0 Сопоставив (2.76) и (2.77), получим: А .0 + Lui.l в -г- (2.78) Последнее равенство может быть использовано для оценки точ ности расчетов: число членов в рядах уравнения (2.61) должно быть таким, чтобы выполнялись соотношения (2.76) и (2.78). Практически члены, начиная с L 3 в связи с быстрым затуханием экспоненты, оказывают существенное влияние лишь в окрестностях точки f = О, поэтому, приняв для по (2.76), в дальнейших расчетах можно пользоваться лишь первыми 2-3 членами рядов Физико-математическая модель тепловлажностного режима теплого чердака в периоды резких похолоданий
Исследование годового нестационарного влажностного режима покрытия теплого чердака в условиях многолетней эксплуатации подробно выполнено Б работе [7] (см. гл. I). Б связи с этим в настоящей работе рассмотрен тепловлажностный режим теплого чердака лишь в периоды резких похолоданий, когда на внутренней поверхности покрытия не исключено выпадение конденсата.
Температура точки росы воздуха теплого чердака для климатических районов средней полосы и Крайнего Севера ниже 0С. Для условий г.Москвы она составляет - 1,5С. Выпадающий на внутренней поверхности покрытия теплого чердака конденсат замерзает, образуя слой инея. При повышении температуры наружного воздуха иней оттаивает, и происходит как капиллярное проникновение влаги в конструкцию, так и испарение с поверхности ограждений в воздух. После того, как пленка на поверхности исчезнет в результате испарения и капиллярного впитывания, начинается период высыхания конструкции.
Тепловоздушный режим чердака и прилегающих жилых помещений при различных конструкциях чердачного перекрытия и покрытия здания
Натурные исследования на теплом чердаке проводились в холодный период 1976 77 г. и 1978 - 1980 гг. для решения двух задач. Во-первых, при изучении тепловоздушного и влажностного режимов в помещении теплого чердака выявлялись условия конденсации влаги и инееобразования на поверхности ограждений, попадания атмосферных осадков, проверялось санитарное состояние и т.д. Во-вторых, экспериментально определялись теплофизические параметры, необходимые для тепло-технического расчета ограждений теплого чердака, а именно: коэффициент теплообмена у внутренней поверхности покрытия и перекрытия, температура и влагосодержание вытяжного воздуха, поступающего на чердак, горизонтальный и вертикальный градиент температуры воздуха. Кроме того, изучалось влияние теплового режима теплого чердака на тепловой режим прилегающих жилых помещений. С этой целью в натурных условиях выявлялись особенности теплового режима жилых помещений на верхнем этаже здания с теплым чердаком а также проверялся разработанный метод расчета нестационарного теплового режима системы "жилое помещение - теплый чердак" при различных возмущающих воздействиях.
Натурине наблюдения проводились в двух 16-этажных жилых домах серии її 3/16 (МНИИТЭП), расположенных в районах Тропарева и Можайского шоссе, в течение двух отопительных, сезонов при покрытиях: из железобетонных панелей толщиной 0,14 м с рулонной кровлей - "холодное" покрытие (совместно с лабораторией строительной теплофизики МНИИТЭП); из керамзитобетонных панелей толщиной 0,32м с безрулонной кровлей - "теплое" покрытие.
При исследовании на теплом чердаке измерялись: суточный ход температуры воздуха и ограждений в соответствии с измерительной схемой, суточный ход влажности воздуха, суточные тепловые потоки через покрытие и перекрытие, локальная скорость движения воздуха в вентблоках и в общей вытяжной шахте, локальное скоростное поле в теплом чердаке, локальная температура воздуха и поверхности чердачного перекрытия в жилых помещениях верхнего этажа, а также проводилось наблюдение за состоянием снежного покрова на крыше и измерение его толщины.
Тепловоздушный режим жилых помещений исследовался в двухкомнатной квартире, расположенной на 16-ом этаже, ориентированной на юг (рис. 3.3). В этой квартире кухня и средняя комната имеют шумозащитные окна с двойным остеклением в раздельных деревянных переплетах. В комнате с шумозащитным окном установлен вентиляционный клапан-глушитель. Bo-второй комнате окно с балконной дверью имеет двойное остекление в спаренных деревянных переплетах. Все 2 окна тщательно уплотнены. Общая площадь окон составляет 7,7 м . тг і к-г\тжт отгтттлп- н_. _ ы . О ___а J. -пгг-ъ vmf\n (ггтгч о і тя- тглтя- Ti»"nnT4mTrr\T 7 тт-г-\ лттлтл аналогичнри0 При исследовании нестационарного теплового режима экспери ментальной квартиры открывался вентиляционный клапан-глушитель на то мериод времени от I ч до 8 ч и включалась электрическая плита для приготовления пищи на период времени ла ь ч дк 5 ч с измелинием мощности от "О 2до 5 I кВт ограждений в соответствии с измерительной схемой, суточный ход температуры воздуха в вытяжных отверстиях, суточный ход температуры поверхности отопительных приборов, суточный ход температуры воздуха в лестничной клетке, скорость движения воздуха в вытяжных отверстиях и в сечении вентиляционного клапана, разность давления снаружи и в квартире, и в квартире и в лестничной клетке.
Измерения температуры внутреннего воздуха и поверхности ограждений проводились при помощи хромель-копелевых тещлопар, подключенных к самопишущим потенциометрам КШ-4 и переносному потенциометру ПП-бЗ. Скорость движения воздуха замерялась крыльчатым анемометром и термоэлектроанемометром конструкции МНЙЙТЭП. Относительная влажность воздуха определялась по психрометру Асмана и по самопишущим гигрометрам. Разность давления измерялась микроманометром. Скорость ветра, температура наружного воздуха и интенсивность солнечной радиации принимались по данным гидрометеорологической обсерватории МГУ. Измерение воздухопроницаемости окон, вентиляционного клапана-глушителя и входной двери выполнено с участием ЦНИИЭП инженерного оборудования по методике [65].
