Моделирование тепловлажностных режимов в ограждающих конструкциях с повышенными теплозащитными свойствами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.03, кандидат технических наук Бутенко, Андрей Николаевич

• Бутенко, Андрей Николаевич
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Бутенко, Андрей Николаевич

ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. КРАТКИЙ ОБЗОР РАБОТ. ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЙ.

ГЛАВА II. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ

ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА В ФРАГМЕНТАХ НЕОДНОРОДНЫХ ОГРАЖДАЮЩИХ

КОНСТРУКЦИЙ.

2.1. Описание установки.

2.2. Аппаратура и оборудование

2.3. Определение температур и тепловых потоков.

2.4. Методика расчета теплопереноса через ограждающие конструкции.

2.5. Расчет теплопереноса через ограждающие конструкции.

2.6. Определение влажностного режима конструкций.

ГЛАВА III. ПЕРЕНОС ТЕПЛОТЫ ЧЕРЕЗ СВЕТОПРОЗРАЧНЫЕ

ОГРАЖДАЮЩИЕ КОНСТРУКЦИИ.

3.1. Оценка температурного режима в области сопряжения оконного блока и ограждающей конструкции.

3.2 Описание установки

3.3. Аппаратура и оборудование.

3.4. Проведение измерений

3.5. Расчетная схема процессов теплообмена в

ГЛАВА IV. светопрозрачной конструкции.

3.6. Сравнение экспериментальных и расчетных данных.

ПЕРЕНОС ТЕПЛОТЫ ЧЕРЕЗ ОГРАЖДАЮЩИЕ КОНСТРУКЦИИ С МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ ВКЛЮЧЕНИЯМИ.

4.1. Коэффициент теплотехнической неоднородности.

4.2. Существующие методы исследования неоднородных конструкций с металлическими элементами.

4.3. Исследование процесса теплопереноса внутри конструкции с металлическими ребрами

ВЫВОДЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование тепловлажностных режимов в ограждающих конструкциях с повышенными теплозащитными свойствами»

Актуальность работы. В последние годы в России принят ряд нормативных документов, значительно ужесточающих требования к тепловой защите и энергоэффективности гражданских зданий.

Важнейшими государственными документами в сфере энергосбережения в России являются Закон РФ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и< о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации», Указ* Президента РФ' от 4 июня 2008 г. № 889 «О1 некоторых мерах по повышению энергетической и экологической эффективности российской экономики» и утвержденная распоряжением Правительством Российской. Федерации №1234-р от 28 августа 2003 г. «Энергетическая стратегия России на период до 2020 года».

Кроме того, 27 декабря 2002 г. Президентом РФ был утвержден федеральный Закон № 184-ФЗ «О техническом регулировании» (ЗТР), допускающий разработку стандартов организаций (коммерческих, общественных, научных и т. д.), не препятствующую существованию обязательных территориальных строительных норм.

Постановлением № 113 от 26 июня 2003 г. Госстроем России с 1 октября 2003 г. введён в действие СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий». В нем дополнительно к нормированию теплозащитных качеств наружных стен по санитарно-гигиеническим условиям и по условиям энергосбережения введён третий показатель по удельному расходу тепловой энергии на отопление здания. Предложено рассматривать требуемый уровень г теплозащитных качеств наружных стен во взаимосвязи с общим энергетическим балансом здания. Главной его особенностью по сравнению с предыдущей версией является возможность использования потребительского подхода к нормированию тепловой защиты, при котором устанавливается предельное значение удельного энергопотребления здания в целом. Такой подход был перенесен- из ранее принятых территориальных строительных норм. Основное преимущество его в- том, что это позволяет проектировщику и заказчику достигать одного и того же уровня энергопотребления различными, способами за' счет выбора наиболее предпочтительных в» каждом конкретном случае энергосберегающих мероприятий, в том числе объемно-планировочных решений, автоматизации инженерных систем, учета внутренних тепловыделений и теплопоступлений от солнечной радиации, и т. д.

Нормативные-требования. СНиП. 23-02-2003' к уровню теплоизоляции-наружных стен' из условий энергосбережения в- диапазоне, превышающем* санитарно-гигиенические требования, согласно Федеральному Закону «О техническом регулировании» должны использоваться* при проектировании, и строительстве жилых зданий, как добровольные. Для обязательного исполнения в соответствии с Законом следует принимать требования из условий обеспечения санитарно-гигиенической безопасности для проживания граждан.

В связи с проведением энергосберегающих мероприятий в строительстве выполняется переход к новым эффективным ограждающим конструкциям, отвечающим по теплотехническим характеристикам требованиям современных норм.

Однако соблюдение требований к сопротивлению теплопередаче наружных стен зданий при применении однослойных и однородных конструкций становится практически невозможным, поэтому возникает необходимость в разработке новых технических решений неоднородных наружных ограждений, обладающих повышенными теплозащитными свойствами и содержащих воздушные прослойки различной конфигурации, утепляющие вставки и прочие неоднородные элементы. В таких конструкциях широко применяются и различные металлические теплопроводные включения (гибкие связи, коннекторы, ребра, профили различной конфигурации и др.), что оказывает значительное влияние на величину и характер тепловых потерь.

Наиболее сложно в современных зданиях обеспечить энергоэффективность светопрозрачных конструкций. Термические сопротивления оконных конструкций в несколько раз ниже, чем стен зданий, что приводит к повышенным тепловым потерям через окна в зимний период времени. Помимо этого, в холодный период времени из-за низкой температуры внутреннего остекления существенно понижается комфортность в помещениях.

Для создания более совершенных строительных конструкций с повышенными теплозащитными свойствами необходимо накопление достаточно полной и достоверной информации о процессах переноса теплоты в неоднородных наружных стенах зданий и сооружений.

Целью настоящей работы является моделирование тепловлажностных режимов в ограждающих конструкциях с повышенными теплозащитными свойствами.

Задачи исследования:

1. Разработать математическую модель для расчета полей температур и тепловых потоков в неоднородных стеновых конструкциях.

2. Экспериментальным путем определить эквивалентный коэффициент теплопроводности для различных типов неоднородных стеновых конструкций.

3. Разработать методику расчета тепловлажностного режима пустотелых стеновых конструкций.

4. Провести исследование численными методами образования конденсата в воздушных полостях и определить годовой баланс влагосодержания.

5. Расчетным и экспериментальным путем определить температурные поля сопряженных мест оконных блоков и стеновых конструкций.

6. Разработать математическую модель, описывающую температурные поля в неоднородных стеновых конструкциях с металлическими включениями.

Методы исследования - физико-математическое моделирование изучаемых процессов, экспериментальные исследования стеновых конструкций и оконных блоков в двух климатических камерах различной конструкции.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована применением классических положений теории тепломассопереноса, моделирования изучаемых процессов, подтверждением удовлетворительной сходимости данных расчетов с полученными результатами экспериментальных исследований.

Научная новизна работы:

1. Разработанная математическая модель для определения температурных полей и тепловых потоков основана, в отличие от известных, на совместном использовании численного метода и эквивалентного коэффициента теплопроводности.

2. По результатам экспериментов получены новые аналитические зависимости для определения эквивалентного коэффициента теплопроводности для различных типов неоднородных стеновых конструкций.

3. Впервые на основе метода Фокина-Власова разработана методика расчета тепловлажностного режима пустотелых стеновых конструкций с повышенными теплозащитными свойствами.

4. При исследовании тепловлажностного режима пустотелых стеновых конструкций показано, что образующийся в зимний период конденсат полностью испаряется в весенне-летний период.

5. Впервые с использованием программы «ЕЬСиТ» определены температурные поля сопряженных мест оконных блоков и стеновых конструкций для различных типов монтажных швов, показана возможность расчета теплообмена в светопрозрачных конструкциях как одномерной задачи.

6. Разработана новая математическая модель для определения коэффициента теплотехнической однородности стеновых конструкций с металлическими включениями, основанная на методе конформного отображениями позволяющая перейти от неоднородной стенки к однородной.

Практическая значимость работы и реализация результатов. Результаты* диссертационной работы, использованы при проектировании и теплотехнических расчетах ограждающих конструкций* в ООО «Инженерно-строительная компания» (г. Ростов-на-Дону) и ООО Инженерный центр «Интеллект» (г. Ростов-на-Дону).

На защиту выносятся:

1. Новая математическая модель теплообмена для неоднородных стеновых конструкций, содержащих воздушные полости.

2. Аналитические зависимости для определения эквивалентного коэффициента теплопроводности для различных типов неоднородных стеновых конструкций.

3. Методика расчета тепловлажностного режима пустотелых стеновых конструкций с повышенными теплозащитными свойствами.

4. Результаты исследований образования конденсата и его испарения в пустотелых стеновых конструкциях.

5. Расчетное и экспериментальное определение температурных полей сопряженных мест оконных блоков и стеновых конструкций.

6. Математическая модель, основанная на методе конформного отображения, для определения коэффициента теплотехнической однородности стеновых конструкций с металлическими включениями.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы обсуждались на международных научно-практических конференциях «Строительство-2005», «Строительство-2006», «Строительство-2007», «Строительство-2008», «Строительство-2009», «Строительство-2010» (г. Ростов-на-Дону, 2005-2010 гг.).

Публикации. Основные результаты работы были опубликованы в 16 научных статьях общим объемом 38 стр., из них лично автору принадлежит 18 стр. Три статьи опубликованы в изданиях, включенных в перечень ВАК РФ («Известия высших учебных заведений. Строительство» «Научный5 вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного1 университета. Строительство и архитектура»), В статьях, опубликованных в рекомендованных ВАК изданиях, изложены основные результаты диссертации: в работе [1] проведены результаты исследования трех образцов неоднородных стеновых конструкций; работа [2] посвящена исследованию теплообмена в светопрозрачных конструкциях; в работе [3] показано влияние металлических элементов на тепловой режим конструкций.

Структура объем и работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы и приложения. Диссертация изложена на 181 странице машинописного текста и содержит 54 рисунка, 11 таблиц, список литературы из 126 наименований, а также 11 приложений.

Заключение диссертации по теме «Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение», Бутенко, Андрей Николаевич

выводы

1. Разработана математическая модель для расчета полей температур и тепловых потоков в неоднородных стеновых конструкциях, содержащих» воздушные прослойки, основанная на совместном использовании численного метода и эквивалентного коэффициента теплопроводности.

2. На основе экспериментальных данных получены аналитические зависимости для определения эквивалентного коэффициента теплопроводности для различных типов неоднородных стеновых конструкций.

3. С использованием графоаналитического • метода Фокина-Власова разработана методика расчета тепловлажностного режима1 пустотелых стеновых конструкций с повышенными теплозащитными* свойствами.

4. Показано, что образующийся в зимний период конденсат испаряется в весенне-летний период, при этом в рассматриваемых конструкциях годовой баланс влагосодержания не приводит к накоплению влаги.

5. Расчетным и экспериментальным путем определены температурные поля сопряженных мест оконных блоков и стеновых конструкций. Характер температурных полей позволил обосновать возможность расчета теплообмена в светопрозрачных конструкциях как одномерной задачи без учета влияния краевых зон.

6. Разработана математическая модель, основанная на методе конформного отображения, для определения коэффициента теплотехнической однородности стеновых конструкций с металлическими включениями. Использование конформного отображения позволяет перейти от неоднородной стенки с металлическими включениями к однородной плоской стенке.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Бутенко, Андрей Николаевич, 2010 год

1. Тепловая защита зданий. - М.: ФГУП ЦПП, 2004.

2. СП 23-101-2004. Проектирование тепловой защиты зданий. М.: ФГУП ЦПП, 2004.

3. Карслоу Г.С, Егер Д.К. Теплопроводность твердых тел. М.: Наука. 1964. 487 с.

4. Лыков A.B. Теория теплопроводности. М.: Высшая школа. 1967.600 с.

5. Лыков A.B., Михайлов Ю.А. Теория тепло- и массопереноса. М.: Госэнергоиздат, 1963. - 536 с.

6. Цой П.В. Методы расчета задач тепломассопереноса. М.: Энергоатомиздат, 1984. - 415 с.

7. Карташов Э.М. Аналитические методы в теории теплопроводности твердых тел. М.: Высшая школа, 1985. - 480 с.

8. Алифанов О.М. Идентификация процессов теплообмена летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1979. - 216 с.

9. Шашков А.Г. Системно-структурный анализ процесса теплообмена и его применение. М.: Энергоатомиздат, 1983. -280 с.

10. Никитенко Н.И. Теория тепло- и массопереноса. Киев: Наукова думка, 1983.-349 с.

11. Коздоба Л. А. Методы решения нелинейных задач теплопроводности. М.: Наука, 1975. - 228 с.

12. Зарубин B.C. ' Инженерные методы решения задач теплопроводности. М.: Энергоатомиздат, 1983. - 328 с.

13. Зарубин B.C. Температурные поля в конструкциях летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1978. - 184 с.

14. Камья Ф.М. Импульсная теория теплопроводности. М.: Энергия, 1972. -272 с.15