Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса, обоснование цели и задач исследования 16
1.1. Анализ неоднородных ограждающих конструкций зданий 17
1.2. Инженерные методы расчета приведенного сопротивления теплопередаче неоднородных многослойных наружных стен зданий с повышенными теплозащитными свойствами 25
1.3. Моделирование тепло - и влагопереноса в многослойных наружных ограждениях с включениями 30
1.4. Методы решения уравнений тепло- и влагопереноса в многослойных телах с включениями и определения тепловлажностных характеристик материалов 34
Глава 2. Нестационарный двумерный теплоперенос в многослойных наружных ограждениях при наличии гибких связей 44
2.1. Физико-математическая постановка задачи 45
2.2. Численный алгоритм решения задачи 47
2.3. Тестирование алгоритма и программы расчета 56
2.4. О механизме нестационарного теплопереноса через трехслойное наружное ограждение с коннектором 61
2.5. Исследование теплового состояния трехслойного наружного ограждения в зависимости от ТФХ материалов слоев ограждения и коннектора 75
2.6. Влияние глубины заложения коннектора на тепловое состояние трехслойного наружного ограждения 80
2.7. Влияние сквозных гибких связей на теплоперенос в трехслойных наружных ограждениях 87
2.8. Сравнительный анализ теплоустойчивости многослойных наружных ограждений 95
2.9. Сравнение результатов численных и физических экспериментов 99
Глава 3. Нестационарный пространственный теплоперенос в неоднородных наружных ограждениях с фасадной системой утепления 110
3.1. Инженерная методика расчета сопротивления теплопередаче 111
3.2. Физико - математическая постановка задачи о нестационарном пространственном теплопереносе в неоднородном фрагменте с фасадным утеплением и численный алгоритм ее решения 116
3.3. Закономерности нестационарного пространственного теплопереноса в неоднородном фрагменте с утепляющей вставкой 120
3.4. Исследование теплозащитной эффективности фрагмента с утепляющей вставкой в зависимости от ТФХ материалов и отношения площадей поперечных сечений вставки и несущей стены 135
3.5. Закономерности нестационарного пространственного теплопереноса в неоднородном фрагменте с утепляющей вставкой и фасадным утеплением 139
3.6. Сопоставление теплозащитной эффективности наружной ограждающей конструкции с утепляющей вставкой и фасадным утеплением для различных материалов несущего слоя 148
3.7. О пределах применимости инженерной методики расчета сопротивления теплопередаче неоднородного многослойного наружного ограждения с внутренним и внешним утеплением 151
3.8. Исследование теплового состояния многослойного наружного ограждения в зависимости от конфигурации гибкой связи и ТФХ несущего слоя конструкции 152
Глава 4. Нестационарный тепло - и влагоперенос в однослойных деревянных наружных ограждениях 163
4.1. Математическое моделирование нестационарного тепло- и влагопереноса в наружных деревянных брусчатых стенах зданий 165
4.2. Исследование влажностного состояния наружной брусчатой стены в зависимости от начального влагосодержания древесины для различных зон влажности 176
4.3. Влияние относительной влажности внутреннего воздуха на влажностное состояние брусчатой стены для различных зон влажности 183
4.4. Исследование влажностного состояния брусчатой стены в зависимости от её толщины и породы древесины 188
Заключение 196
Список использованной литературы 198
Приложения 220
- Моделирование тепло - и влагопереноса в многослойных наружных ограждениях с включениями
- О механизме нестационарного теплопереноса через трехслойное наружное ограждение с коннектором
- Физико - математическая постановка задачи о нестационарном пространственном теплопереносе в неоднородном фрагменте с фасадным утеплением и численный алгоритм ее решения
- Влияние относительной влажности внутреннего воздуха на влажностное состояние брусчатой стены для различных зон влажности
Введение к работе
Энергосбережение, особенно для климатической зоны Сибири и районов Крайнего Севера, является одним из приоритетных направлений в строительной отрасли. Опыт эксплуатации построенных в этих районах зданий свидетельствует о том, что многие виды внешних природных воздействий на них существенно отличаются от климатических воздействий, характерных для умеренного климата центральных районов европейской части России. За последнее десятилетие во всех индустриально развитых странах неоднократно были пересмотрены требования к уровню теплозащиты ограждающих конструкций. После внесения изменений в СНиП ІІ-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 и возводимого фонда отапливаемых зданий. Изменения СНиП ІІ-3-79* в 1998 и в 2000 годах активизировали разработку новых неоднородных и многослойных конструкций наружных стен, включая фасадные системы утепления с применением гибких связей для обеспечения конструктивной прочности всех элементов. Поэтому становится актуальной научная задача по установлению закономерностей тепло- и влагопереноса в сложно-композиционных наружных стенах зданий при наличии в промежуточном слое инородных включений в условиях штатного функционирования. Использование многослойных конструкций с фасадным утеплением на гибких связях позволит обеспечить необходимый микроклимат в зданиях при минимальных затратах на энергопотребление при эксплуатации и снизить материалоемкость и удешевить работы при строительстве.
Таким образом, актуальность темы диссертационной работы обусловлена необходимостью повышения теплозащитных свойств 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 двух грантов президента РФ для поддержки молодых российских ученых и ведущих научных школ (МК - 1812.2003.8 и МК -5186.2006.8).
Целью работы является исследование тепловлажностного состояния и теплозащитных свойств неоднородных наружных ограждающих конструкций зданий с повышенными теплозащитными свойствами.
Для достижения поставленной цели в работе ставятся следующие задачи:
осуществить физико-математические постановки задач нестационарного двух- и трехмерного теплопереноса в многослойных неоднородных наружных ограждающих конструкциях зданий с внутренним и внешним утеплением и их программно - алгоритмическое обеспечение;
установить закономерности нестационарного двух - и трехмерного теплопереноса в многослойных неоднородных наружных ограждающих конструкциях с внутренним и внешним утеплением;
исследовать теплозащитные свойства, теплоустойчивость и влажно-стное состояние многослойных неоднородных конструкций в зависимости от теплофизических, геометрических и влажностных характеристик материалов слоев, утепляющих вставок и гибких связей;
разработать инженерную методику расчета сопротивления теплопередаче неоднородных ограждающих конструкций с внутренним и внешним утеплением и оценить пределы её применимости путем сравнения с результатами математического и физического моделирования;
исследовать нестационарный тепло- и влагоперенос в наружной брусчатой стене здания и осуществить пятилетний прогноз её влажностного состояния для трех климатических зон влажности в зависимости от теплофизических и влажностных характеристик брусчатой стены, ее толщины и влажностного режима помещения.
Научная новизна работы:
разработан эффективный программно - алгоритмический комплекс для исследования тепловлажностного состояния и теплозащитных свойств многослойных неоднородных наружных стен зданий;
установлены закономерности нестационарного двумерного теплопереноса в трехслойных неоднородных наружных ограждающих конструкциях зданий с коннекторами и проведено комплексное исследование их теплозащитных свойств, теплоустойчивости и влажностного состояния в зависимости от теплофизических и геометрических характеристик традиционных и новых перспективных материалов слоев и коннекторов, а также от глубины заложения коннекторов;
исследовано влияние размеров вертикальной утепляющей вставки и её местоположения на теплоустойчивость и влажностное состояние неоднородного фрагмента стены; на основе параметрического исследования определена теплозащитная эффективность фрагмента для различных материалов несущей стены и утепляющей вставки;
показано, что применение вертикальных утепляющих вставок уменьшает тепловые потери через наружные однородные стены до 55 % и снижает
5 их массу до 30 %, а использование фасадной системы утепления уменьшает тепловые потери через стену с утепляющей вставкой до 50 %;
выявлено влияние вида гибкой связи на тепловое состояние и теплозащитные свойства наружной ограждающей конструкции с утепляющей вставкой и фасадным утеплением и показано, что замена металлического коннектора металлическим профилем увеличивает тепловые потери до 3 %, а деревянным бруском - более, чем 30 %;
получены новые расчетные зависимости для определения сопротивления теплопередаче неоднородной наружной стены с фасадной системой утепления на гибких связях и оценены пределы её применимости;
впервые в пятилетнем цикле эксплуатации исследовано влажностное состояние наружной брусчатой деревянной стены для трех климатических зон влажности в зависимости от теплофизических и влажностных характеристик брусчатой стены, ее толщины и влажностного режима работы помещений.
Достоверность полученных результатов подтверждается сравнением их 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 и влажностного состояния проектируемых неоднородных стен зданий, оценки их теплоустойчивости и теплозащитной эффективности;
разработана методика инженерного расчета сопротивления теплопередаче неоднородной стены здания с вертикальной утепляющей вставкой и фасадной системой утепления на гибких связях;
определены коэффициенты теплотехнической эффективности наружных стен зданий для различных материалов несущего слоя, утепляющей вставки и гибкой связи;
разработанные программы расчета используются для установления закономерностей нестационарного тепло - и влагопереноса в проектируемых наружных ограждениях и оценки их теплозащитных свойств на предприятиях ЗАТА «Северск» УК «Жилищное хозяйство», ООО «Профлес»; 000 «Лесинвест», а отдельные программные модули применяются в учебном процессе Томского ГАСУ; одна программа зарегистрирована в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам (свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2005613006).
На защиту выносятся:
физико-математические постановки и численные методики расчета
нестационарного тепло - и влагопереноса в однородных и неоднородных
ограждающих конструкциях зданий с внутренним и фасадным утеплением;
инженерная методика расчета сопротивления теплопередаче неоднородных наружных стен зданий с утепляющей вставкой и фасадной системой утепления с различными гибкими связями;
результаты параметрических численных исследований по установлению закономерностей нестационарного двух - и трехмерного теплопере-носа и влияния теплофизических, геометрических и влажностных характеристик материалов слоев, утепляющей вставки и гибкой связи на теплозащитные свойства и теплоустойчивость неоднородных наружных стен зданий;
результаты численных расчетов по оценке влажностного состояния деревянных брусчатых стен зданий в пятилетнем цикле эксплуатации для различных климатических зон влажности России, влажностных режимов помещений, начальных влагосодержаний, теплофизических и влажностных характеристик брусчатой стены и ее толщины.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на Международной научно - технической конференции (11-18 мая 2003 г., г. Майорка, Испания), на Международной юбилейной конференции Томского государственного университета (16-18 сентября 2003 г.), на региональной научно-методической конференции «Проблемы инженерного образования» (20-21 апреля 2004 г., г. Томск), на международной конференции «Сопряженные задачи механики, информатики и экологии» (5-10 июля 2004 г., г. Томск), на XXVIII Сибирском теплофизическом 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 жизнедеятельности» (11-16 октября 2004 г., г. Хаммамет, Тунис), на четвертой и пятой Всероссийских конференциях «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики» (5-7 октября 2004 г., 3-5 октября 2006 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 научно-технической конференции «Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции» (23-25 ноября 2005 г., г. Москва), на научных семинарах кафедры теплогазоснабжения Томского государственного архитектурно-строительного университета (9 ноября 2004 г., 8 декабря 2005 г., 19 октября 2006 г.), на научном семинаре кафедры физической и вычислительной механики Томского госуниверситета (28 октября 2006 г.).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 20 работах, список которых приведен в конце автореферата. Из них 4 статьи в центральных рецензируемых журналах, 1 депонированная статья, остальные в сборниках избранных докладов конференций.
Личный вклад автора заключается в физической и
математической постановках рассматриваемых задач, участии в разработке алгоритмов и программ расчета, проведении расчетов и анализе их результатов.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 186 наименований, приложения и содержит 187 страниц основного текста, в том числе 105 рисунков, 11 таблиц.
По вопросам, относящихся к разработке инженерных методов расчета и практического применения научных разработок диссертанта научным консультантом являлся д.т.н., профессор Цветков Николай Александрович.
Моделирование тепло - и влагопереноса в многослойных наружных ограждениях с включениями
При разработке и создании новых многослойных неоднородных наружных ограждений с теплопроводными включениями для целенаправленного влияния на улучшение их теплозащитных свойств необходимо детальное изучение их теплового и влажностного состояния в различных реальных условиях эксплуатации. Наиболее продуктивным способом решения этой задачи является комплексное теоретико-экспериментальное исследование процессов тепло- и влагопереноса. Следует сказать, что проведение экспериментальных исследований для прогноза теплового и влажностного состояния проектируемых ограждений не всегда эффективно с точки зрения материальных и временных затрат в силу многопараметричности и длительности моде-лируемых процессов тепло- и влагопереноса. В большей степени эти исследования целесообразны при проведении единичных натурных, либо лабораторных экспериментов для получения экспериментальной информации для обратных задач строительной теплофизики по определению свойств материалов и характеристик тепло- и массообмена на поверхностях конструкций [107]. На конечном этапе исследований данные экспериментов необходимы для проверки адекватности математических моделей и их верификации. Адекватные математические модели для решения задач оптимизации, энергосбережения и проектирования в строительном комплексе [108] могут быть реализованы только с помощью эффективных численных методов и быстродействующей компьютерной техники [109-111].
Математическое моделирование тепло - и массопереноса на основе методов решения сопряженных и обратных и задач становится одним их важнейших путей оптимизации процессов энергосбережения в строительстве. На практике нередко приходится решать задачи тепло - и массообмена, являющиеся одновременно и обратными, и сопряженными. Реализация этих классов задач возможна только благодаря наличию эффективных численных методов расчета тепломассообменных процессов и быстродействующих ПЭВМ.
В работе [112] рассматривается задача теплопереноса внутри однородной наружной стены. На обеих сторонах стены задаются граничные условия третьего рода. Теплоперенос в стене рассматривается при резком изменении температуры наружного воздуха. Поставленная задача решалась численно методом конечных разностей с использованием неявной разностной схемы. В результате расчетов были получены распределения температур и тепловых потоков по толщине однородных стен из кирпича, автоклавного ячеистого бетона и пенополистирола. В работе [113] представлена общая математическая модель тепло- и массопереноса с фазовыми превращениями влаги в многослойном наружном ограждении с учетом циклического изменения параметров внешней среды. Разработан эффективный численный алгоритм решения задачи на основе итерационно - интерполяционного метода (ИИМ). Исследовано влияние нестационарности процессов тепло- и влагопереноса на тепловое состояние многослойного ограждения и его влагосодержание. Показаны хорошие возможности математического моделирования для решения задач проектирования наружных ограждений с заданными свойствами. Однако практическое использование предложенной в [113] математической модели сдерживается отсутствием данных по некоторым её параметрам.
В работах [114, 115] рассматривается задача теплопереноса через наружное ограждение с воздушным зазором. При замене реальной конструкции ее моделью был сделан ряд упрощений, наиболее значительным из которых является отказ от внесения в расчетную схему множества сложных элементов (кляммеров, направляющих профилей, плит облицовки). Второе упрощение 32 переход к осесимметричным координатам - можно сделать только для части конструкции от внутреннего воздуха до воздушной прослойки. Задача сводится к численному решению трехмерного уравнения теплопроводности, записанного в цилиндрических координатах. На основании расчета температурного поля определена теплотехническая однородность стены, содержащей один кронштейн.
В книге [116] приводится математическая модель теплопередачи через ограждающие конструкции при следующих допущениях: а) теплотехнические характеристики материалов слоев не зависят от влажности и температуры материала; б) влияние откосов оконных проемов, стыков, наружных углов, тепло проводных включений на деформацию температурного поля ограждения корректируется с помощью введения эквивалентных теплотехнических пока зателей, так что температурное поле конструкции можно считать одномер ным; в) теплопередача через конструкцию происходит за счет теплопроводно сти и фильтрации воздуха; г) имеют место потери (выделения) тепла, связанные с замерзанием (таянием) влаги в материале.
При выводе уравнения теплопроводности для конструкции был использован метод математического описания задач Стефана, заключающийся в том, что граница раздела фаз (вода - лед) не выделяется в определенное граничное условие, а «включается» в уравнение теплопроводности. Расход воздуха через единицу поверхности ограждения определялся на основе следующих предположений: при расчете давления на наружной поверхности ограждения принимался принцип независимости действия сил гравитационного и ветрового давления, а связь между давлением и температурой определялась уравнением состояния Клайперона. В результате расчетов было показано, что учет изменения ветрового давления по площади ограждения и температуры внутреннего воздуха по высоте помещения приводят к более точному определению расхода воздуха, фильтрующегося через ограждение, и к более правильному определению потерь тепла на инфильтрацию.
Граничное условие на внутренней поверхности ограждения включало количество тепла, передаваемого поверхностью теплопроводностью, воспринимаемого поверхностью в результате лучистого и конвективного теплообмена, а также источники тепла, обусловленные фазовыми переходами. Граничное условие на наружной поверхности ограждения включало количество тепла, передаваемое поверхностью теплопроводностью, воспринимаемое поверхностью в результате конвективного теплообмена с наружным воздухом, лучистого теплообмена с «окружением», а также источники тепла, обусловленные солнечной радиацией, поглощенной поверхностью, и фазовыми переходами на поверхности.
Таким образом, разработаны и реализованы математические модели с учетом ряда факторов, влияющих в большей или меньшей степени на тепловые режимы наружных стен различных, в основном, однородных, конструкций. Вместе с тем из-за ряда допущений при разработке математических моделей для практического использования полученных результатов необходимы доказательства их достоверности и адекватности. Наиболее надежно эти доказательства можно получить при технологических испытаниях фрагментов стен в климатических камерах. Полученные результаты по температурным полям и тепловым потокам не сопоставлялись в рассмотренных работах с данными расчета по нормативным методикам [117-122].
О механизме нестационарного теплопереноса через трехслойное наружное ограждение с коннектором
После дифференцирования температуры tw(x) по времени и последующего интегрирования (2.51) для определения плотности теплового потока на левой границе тела получим простое аналитическое выражение Оно является точным аналитическим решением второй тестовой задачи. Результаты сравнения численных и аналитических решений первой и второй тестовых задач показали их хорошее согласование.
В качестве третьей тестовой задачи рассматривалась известная задача строительной теплофизики по определению температуры в трехслойном наружном ограждении и плотностей тепловых потоков на его границах. Слои ограждения были выполнены из кирпича (1, 3) и утеплителя (2). При проведении расчетов использовались следующие значения параметров: A,i 2 недели. Начальная температура tinпринималась по толщине ограждения постоянной и равной 20 и -40 С.
При установлении стационарного режима численное решение одномерной задачи в трехслойной области сравнивалось с известным аналитическим решением одномерной линейной стационарной задачи через расчетные сопротивления теплопередаче [105, 158] где Rl(x) - расчетное сопротивление теплопередаче ограждения со стороны помещения до плоскости с координатой х, a RQ - сопротивление теплопередаче всего ограждения, вычисляемое по формуле [105, 158]
В результате численных расчетов было показано (рис. 2.2, 2.3), что независимо от задания начальной температуры численное решение задачи стремится к единственному стационарному решению, совпадающему с известным аналитическим решением (2.53), а плотности тепловых потоков через внутреннюю и наружную поверхности ограждения совпадают. Это является одним из подтверждений достоверности результатов расчетов. В дальнейшем при решении двумерной задачи теплопереноса в трехслойном наружном ограждении с коннектором в качестве начальной температуры выбирался стационарный профиль температуры по х, полученный из аналитического решения одномерной задачи теплопроводности в трехслойной области (2.53) без коннектора. Это позволило сократить время счета задачи из-за ускорения достижения стационарного режима теплопереноса. Подтверждением достоверности результатов решения двумерной задачи в этом случае будет являться совпадение тепловых потоков через внутреннюю и наружную поверхности трехслойного наружного ограждения при установлении стационарного режима.
Наиболее важными в рассматриваемой задаче являются вопросы, связанные с исследованием в динамике зон влияния коннектора на формирование температурного поля стенового ограждения и на величины и направления тепловых потоков в этих зонах. При проведении базового варианта расчета использовались следующие значения параметров: Л-і = Л.з == 0,8 Вт/(м-К), А,2 = 0,05 Вт/(м-К), А,4 = 60 Вт/(м-К), р, = рз = 1800 кг/м3, р2 = 150 кг/м3, р4 = 7850 кг/м3, с, = с3 = 880 Дж/(кг-К), с2 = 1340 Дж/(кг-К), с4 = 482 Дж/(кг-К), X, = 0,325 м, Х2 = 0,38 м, Х3 = 0,53 м, Х4 = 0,585 м, Хк = 0,65 м, Rk = 0,2 м, R = 0,002 м, а0 = 8,7 Вт/(м2-К), aw = 23 Вт/(м2-К), tgjns= 20 С, tg;C = -40 С, ifin= 24 ч. Материал коннектора - арматурная сталь, внутреннего и наружного слоев - кирпич, утеплителя - минеральная вата. Расчетные шаги по пространству в направлениях х и г в общем случае брались переменными из-за большого различия в ТФХ материалов слоев стены и коннектора. Решение задачи проверялось на сгущающихся сетках по пространству и времени. Приемлемое число узлов разностной сетки по х и г для базового варианта расчета оказалось равным 65 х 200 при шаге по времени, равным 30 с. Дальнейшее увеличение числа точек по пространству и уменьшение шага по времени вдвое давало уточнение решения, не превышающее 0,05%. Значение величины Rk, моделирующей верхнюю границу расчетной области по г, выбиралось из условия совпадения численного решения исходной двумерной задачи при г = Rk и т = Tfin с известным аналитическим решением одномерной стационарной задачи из [158], т.е. из условия отсутствия влияния коннектора на температурное поле на периферии по г. Время счета базового варианта задачи при физическом времени процесса тПп = 24 часа оказалось не более 3,5 минут на ПЭВМ PENTIUM - 3.
По сравнению со стационарным профилем температуры в ограждении без коннектора наличие коннектора приводит к понижению температуры в зоне его размещения до сечения х = 0,455 м и повышению температуры после этого сечения (рис. 2.4 - 2.6). С ростом времени эта тенденция вначале усиливается, а затем по мере выхода процесса теплопередачи на стационарный режим замедляется (рис. 2.6).
Физико - математическая постановка задачи о нестационарном пространственном теплопереносе в неоднородном фрагменте с фасадным утеплением и численный алгоритм ее решения
В предельном случае заложения коннектора во внутренний и наружный слои стены, когда коннектор является сквозным, обнаружены отличительные особенности в распределении перепадов температур на периферии и оси коннектора и плотностей тепловых потоков в осевом направлении в сравнении с несквозным коннектором. Они состоят в том, что существуют два сечения с нулевым перепадом температур, находящиеся во внутренней версте и теплоизоляционном слое; на левом торце металлического коннектора перепад температуры положительный; отсутствуют температурные возмущения, обусловленные торцами коннектора; имеет место более быстрый выход процесса теплопереноса на стационарный режим; плотность теплового потока в осевом направлении нигде не равна нулю, а ее максимальное значение ниже, чем при несквозном коннекторе. Тепловые потери через ограждающую конструкцию при сквозном металлическом коннекторе радиусом 2 мм примерно на 7,7 % выше, чем при несквозном, а увеличение радиуса коннектора до 4 мм увеличивает тепловые потери до 14,9 % и уменьшает максимум плотности теплового потока в осевом направлении примерно на 12 %. Отличие в распределении перепадов температур по х при сквозном нетеплопроводном коннекторе из углепластика состоит в том, что на левом конце коннектора имеет место незначительный отрицательный перепад температур, а на правом конце коннектора этот перепад также незначителен, но положителен, что обусловлено низкой теплопроводїюстью коннектора. Показано, что применение коннектора из углепластика снижает максимальный перепад температур примерно в 2,6 раза, а тепловые потери на 7 - 8 % по сравнению со стальным коннектором.
Сравнение результатов расчетов с данными физических экспериментов показало адекватность используемой математической модели и работоспособность программно - алгоритмического комплекса. Сложная структура современных наружных ограждающих конструкций, обусловленная наличием различного рода включений, приводит к неодномерности температурного поля, и, как следствие этого, к изменению теплозащитных свойств конструкций. Для исследования плоского и пространственного теплопереноса в многослойных неоднородных ограждающих конструкциях целесообразно использовать математическое моделирование, позволяющее минимизировать временные и материально-технические затраты по сравнению с физическим моделированием. В ряде случаев полезными могут оказаться простые приближенные стационарные аналитические зависимости, однако правомерность их использования необходимо каждый раз проверять путем сопоставления с численными решениями, полученными на основе нелинейных нестационарных одно - , двух - или трехмерных математических моделей теплопереноса.
В настоящей главе рассматриваются вопросы, связанные с повышением теплозащитных свойств наружных ограждающих конструкций зданий за счет внутренних утепляющих вставок и внешнего (фасадного) утепляющего слоя. Проведена оценка влияния внутреннего и внешнего утепления на теплозащитные свойства наружных стен с помощью методики СНиП, разработанных аналитических зависимостей и математического моделирования. Установлен характер пространственного распределения температур и тепловых потоков в рассматриваемом неоднородном фрагменте наружного ограждения. Исследовано влияние теплофизических и геометрических характеристик материалов слоев несущей части стены, утеплителя и коннектора на тепловое состояние утепленных наружных стен.
Объектом исследования являлся фрагмент неоднородной наружной ограждающей конструкции с фасадным утеплением при наличии коннектора (рис. 3.1). Фрагмент состоял из несущей версты 1 с вертикальными пустотами, заполненными утеплителем 4, наружного утепляющего слоя 2 и наружной обшивки 3, крепящейся к стене с помощью коннектора 5. Утеплитель 2 крепится к стене на клеевой основе, либо с помощью коннекторов с прижимными шляпками.
Приведенное термическое сопротивление для данной неоднородной ограждающей конструкции определялось по формуле [105]: где R - приведенное термическое сопротивление через неоднородную несущую версту стены 1 с внутренним вертикальным утеплением 4; R K- эффективное термическое сопротивление слоя стены, состоящего из участка несущей версты, в которую заделана часть коннектора; R !K - эффективное термическое сопротивление слоя стены, состоящего из утеплителя 2 и коннектора 5; R;- эффективное термическое сопротивление слоя стены, состоящего из обшивки 3 и части коннектора 5; Ro6m - термическое сопротив ление обшивки; —, сопротивления теплоотдаче на внутренней и наружной поверхностях ограждающей конструкции, принимаемые.
Влияние относительной влажности внутреннего воздуха на влажностное состояние брусчатой стены для различных зон влажности
Однослойные и многослойные пористые структуры с протекающими в них различными по характеру физико-химическими превращениями являются одними из наиболее часто встречающихся объектов обеспечения благоприятных условий жизнедеятельности человека. Они являются основными элементами строительных конструкций и широко используются в промышленном и гражданском строительстве [108, 158,175].
Влажностный режим ограждающих стеновых конструкций тесно связан с их теплотехническим режимом. Влажный строительный материал неприемлем и с гигиенической точки зрения, так как является благоприятной средой для развития в нем грибов, плесеней и прочих биологических процессов. Кроме теплотехнического и санитарно - гигиенического значения нормальный влажностный режим ограждения имеет также и большое техническое значение, поскольку он обуславливает долговечность ограждения. Применение в современном строительстве в качестве утеплителей легких материалов заставляет обращать внимание на влажностный режим ограждений, чтобы обеспечить им необходимую долговечность.
При расчете сопротивлений теплопередаче и паро- и газопроницанию ограждений с выполнением условий, отвечающих санитарно-гигиеническим и комфортным условиям и условиям энергосбережения, обычно используют усредненные величины (например, упругость водяного пара для внутреннего и наружного воздуха, расчетная зимняя температура наружного воздуха и т. д.) за определенный промежуток времени [185], который является характерным (определяющим) для данных климатических условий. Это является серьезным допущением, поскольку используемые в строительстве пористые структуры, основной субстанцией переноса в которых является вода и ее фазовые состояния, подвергаются со стороны внешней среды переменным воздействиям, в том числе циклического и квазициклического характера [111, 162, 176, 177], поэтому все процессы тепломассопереноса в структурах следует считать нестационарными. Игнорирование нестационарности процессов тепло- и влагопереноса в ограждающих конструкциях может привести к значительным ошибкам при оценке их тепловых и прочностных свойств. Эффективным инструментом исследования при решении задач оптимизации, энергосбережения и проектирования в строительном комплексе [108] является математическое моделирование, основанное на современных математических моделях и численных методах механики реагирующих сред [107, ПО, 161] с использованием быстродействующей компьютерной техники [111, 162, 176].
В данной главе на основе общей физико - математической модели тепло - и влагопереноса в строительных материалах наружных ограждающих конструкций [136] предложена оптимальная компромиссная модель тепло - и влагопереноса в наружных деревянных ограждающих конструкциях, замкнутая на известных экспериментальных данных. Разработаны численный алгоритм и программа расчета тепловлажностного состояния таких конструкций на языке программирования ФОРТРАН для ПЭВМ. В результате численной апробации предложенной физико - математической модели показана ее непротиворечивость. Исследовано тепловлажностное состояние наружной деревянной брусчатой стены для различных влажностных зон России в зависимости от начального влагосодержания и толщины стены, породы древесины и относительной влажности воздуха в помещении.
Ввиду экологической чистоты, относительно малой массы, доступности, дешевизны и легкости обработки при возведении наружных стен малоэтажных жилых домов и коттеджей широко используется древесина. Решение проблемы повышения энергоэффективности наружных ограждающих конструкций зданий из древесины во многом зависит от знания особенностей процесса нестационарного тепло- и влагопереноса и основных параметров, влияющих на процесс.
Модель древесины. Схематично строение древесины представляется следующим образом [179, 180]. Скелет древесины образуют лентоподобные образования - микрофибриллы толщиной до 10 нм. Переплетение микрофибрилл с разными углами наклона образуют крупные структурные образования - макрофибриллы с размером 300 -f 500 нм. Пространство между макрофибриллами с условным радиусом больше 100 нм - макрокапилляры, а пространство между микрофибриллами с радиусом меньше 100 нм - микрокапилляры.
Вода в древесине делится на свободную, содержащуюся в макрокапиллярах, и связанную. Связанная или гигроскопическая влага в свою очередь делится на адсорбционную и микрокапиллярную. Адсорбционной называют воду, сорбированную поверхностью микрофибрилл, и образующую межмик-рофибриллярные прослойки. Увеличение толщины прослоек приводит к разбуханию древесины и, наоборот, уменьшение - к усушке. Микрокапиллярная вода содержится в микрокапиллярах.
Взаимосвязь влагосодержания древесины w, относительной влажности воздуха ф и температуры t определяется изотермами сорбции. С увеличением величины ф от нуля сначала идет увеличение адсорбированной влаги, а при Ф 0,7 начинают заполняться микрокапилляры. При (р = 0,99 количество связанной влаги достигает максимального значения ws, получившего название предела гифоскопичности [181]. Эта часть изотермы сорбции не зависит от породы древесины и для ф 0,45 может быть записана в виде [182]