«Разработка инженерных методик расчета теплотехнических показателей балконного узла» тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.01, кандидат наук Андрейцева Кристина Сергеевна

• Андрейцева Кристина Сергеевна
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Андрейцева Кристина Сергеевна

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1. История нормирования тепловой защиты зданий в 13 России

1.2. Развитие представлений о тепловой защите зданий в 17 работах российских ученых

1.3. Опыт учета теплотехнических неоднородностей при 20 проектировании теплозащиты в зарубежных странах

1.4. Особенности конструкции балконного узла

1.5. Выводы к главе 1 и постановка задач исследования 42 ГЛАВА 2 ИНЖЕНЕРНАЯ МЕТОДИКА РАСЧЕТА 43 МИНИМАЛЬНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ КОНСТРУКЦИИ

2.1. Аналитический расчет

2.2. Вычисление «поправки»

2.3. Вычисление «поправки» Д£2

2.4. Заключение

2.5. Выводы к главе 2 64 ГЛАВА 3 ИНЖЕНЕРНАЯ МЕТОДИКА РАСЧЕТА УДЕЛЬНЫХ 66 ПОТЕРЬ ТЕПЛОТЫ ЧЕРЕЗ БАЛКОННЫЙ УЗЕЛ

3.1. Аналитический расчет

3.2. Термическое сопротивление части

3.3. Термическое сопротивление части

3.4. Термическое сопротивление части

3.5. Удельные потери теплоты через балконный узел

3.6. Возможности обобщения методов расчета удельных 81 потерь теплоты через балконный узел

3.7. Выводы к главе

ГЛАВА 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

4.1. Лабораторный эксперимент

4.1.1. Описание конструкции

4.1.2. Этапы монтажа конструкции

4.1.3. Описание приборов и схема расстановки датчиков

4.1.4. Методика проведения эксперимента

4.2. Исследования в натурных условиях

4.2.1. Описание конструкции. Выбор объекта 98 исследования

4.2.2. Измеряемые величины и измерительные приборы

4.2.3. Методика исследования

4.2.4. Приборы и оборудование

4.3. Результаты эксперимента и натурных исследований

4.4. Выводы к главе 4 112 ГЛАВА 5 АЛГОРИТМЫ ПРИМЕНЕНИЯ РАЗРАБОТАННЫХ 114 МЕТОДИК И ПРИМЕРЫ ИХ РЕАЛИЗАЦИИ ДЛЯ КОНКРЕТНЫХ ЗАДАЧ

5.1 Алгоритм расчета удельных потерь теплоты через 114 балконный узел

5.2 Алгоритм расчета минимальной температуры на 115 внутренней поверхности узла

5.3 Пример расчета удельных потерь теплоты через 117 балконный узел и минимальной температуры на внутренней поверхности конструкции узла

5.4 Пример расчета приведенного сопротивления 124 теплопередаче ограждающей конструкции с использованием алгоритма

5.4.1. Описание конструкции, выбранной для расчета

5.4.2. Расчет удельных потерь теплоты, обусловленных 125 элементами конструкции

5.4.3. Расчет приведенного сопротивления 128 теплопередаче ограждающей конструкции

5.5 Выбор теплозащитных элементов для достижения 129 целевого сопротивления теплопередаче фрагмента теплозащитной оболочки здания

5.6 Выбор параметров балконного узла, позволяющий 133 достичь заранее заданных удельных потерь теплоты

5.6.1. Описание конструкции, выбранной для расчета

5.6.2. Расчет удельных потерь теплоты, обусловленных 135 элементами конструкции

5.6.3. Связь приведенного сопротивления теплопередаче 137 ограждающей конструкции и теплопроводности эффективного слоя в балконном узле

5.7 Выводы к главе 5 139 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 141 СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 144 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему ««Разработка инженерных методик расчета теплотехнических показателей балконного узла»»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Для обеспечения тепловых потребностей зданий расходуется до 1/3 всех потребляемых энергетических ресурсов в Российской Федерации. Энергосбережение входит в число приоритетных направлений развития науки и техники в Российской Федерации. В настоящее время последовательно сокращается удельный расход тепловой энергии, на отопление и вентиляцию зданий, ужесточаются требования к тепловой защите ограждающих конструкций. На это направлен ряд постановлений Правительства Российской Федерации и приказов различных министерств.

Выполнение этих повышенных требований вынуждает строительную отрасль к постоянному развитию строительных материалов, совершенствованию ограждающих конструкций и инженерных систем, в том числе совершенствованию узлов ограждающих конструкций. Узел сопряжения наружной стены, плиты перекрытия и балконной плиты вносит наибольший среди теплотехнических неоднородностей вклад в тепловые потери здания.

В настоящее время контроль теплотехнических показателей балконного узла осуществляется либо путем расчета температурных полей, либо путем использования СП 230.1325800.2015 «Конструкции ограждающие зданий. Характеристики теплотехнических неоднородностей». Оба способа обладают рядом недостатков. Расчет температурных полей требует дорогих специализированных программ и высокой квалификации расчетчиков. СП 230.1325800.2015 не содержит данных по минимальной температуре на внутренней поверхности узла, охватывает не все случаи, и при отклонении от стандартных параметров падает точность определения удельных потерь теплоты. Поэтому контроль теплотехнических показателей балконного узла в процессе проектирования является актуальным.

Степень разработанности темы исследования. Исследования в области строительной теплотехники, а также тепловой защиты зданий проводили К.Ф. Фокин, О. Е. Власов, В.Н. Богословский, В.Д. Мачинский, В.М. Ильинский, Б.Ф. Васильев, А.М. Шкловер, Ф.В. Ушков, А.В. Лыков, А.И. Ананьев, В.К. Савин, В.А. Могутов, В.Г. Гагарин, В.Н. Куприянов, И.Н. Бутовский, Н.П. Умнякова, В.В. Козлов, Е.Г. Малявина, П.В. Монастырев, Д.В. Крайнов и др.

Развитие ограждающих конструкций привело к устареванию справочных данных и методик, использовавшихся ранее. С введением новой методики расчета приведенного сопротивления теплопередаче в СП 50.13330.2012 возникла потребность в удельных потерях теплоты различных узлов ограждающих конструкций. Для удовлетворения этой потребности разработан СП 230.1325800.2015, содержащий табличные данные по удельным потерям теплоты для различных вариантов узлов, в том числе и для наиболее мощной теплотехнической неоднородности - сопряжения наружной стены, плиты перекрытия и балкона.

Практика использования СП 230.1325800.2015 показала, что, несмотря на простоту предложенной в нем методики, получение результатов для реальных конструкций требует достаточно сложных расчетов. Кроме того, для получения данных по минимальной температуре на внутренней поверхности балконного узла все еще требуется проводить численные расчеты температурного поля с использованием специализированных программ.

В силу вышеизложенного, в настоящее время тема диссертации требует дальнейшей разработки.

Цель работы - разработка инженерных методик расчета удельных потерь теплоты через балконный узел и расчета минимальной температуры на внутренней поверхности балконного узла.

Основные задачи исследования:

- разработать инженерную методику расчета минимальной температуры на внутренней поверхности конструкции;

- разработать инженерную методику расчета удельных потерь теплоты через балконный узел;

- провести экспериментальную проверку разработанных методик в лабораторных и натурных условиях;

- подготовить предложение для внедрения методик в действующие нормативные документы.

Научная новизна.

1. Доказана линейная зависимость удельных потерь теплоты через балконный узел стены с наружным утеплением от квадратного корня из теплопроводности материалов основания стены и плиты перекрытия.

2. Получено приближенное выражение для зависимости минимальной температуры на внутренней поверхности ограждения от параметров балконного узла для стен с наружным утеплением с помощью комбинированного аналитического и численного решений уравнения теплопроводности.

3. Сформулировано и подтверждено численными расчетами предположение о теплотехнической эквивалентности внутренней части балконного узла со сложной геометрией сегменту цилиндра.

4. Получена приближенная формула зависимости удельных потерь теплоты от параметров балконного узла для стен с наружным утеплением.

5. Получена приближенная формула зависимости удельных потерь теплоты от параметров балконного узла для однослойной стены.

Теоретическая и практическая значимость работы.

1. Разработана методика расчета минимальной температуры на внутренней поверхности балконного узла для стен с наружным утеплением.

2. Подготовлена таблица теплопроводности эффективного слоя в зависимости от теплопроводности основания и параметров перфорации балконного узла.

3. Разработана методика расчета удельных потерь теплоты через балконный узел для стен с наружным утеплением.

4. Разработана методика расчета удельных потерь теплоты через балконный узел для однослойных стен.

5. Найдено значение коэффициента влияния стены для учета огибания перфорированного слоя в однослойных стенах.

6. Сделанные в диссертации предположения подтверждены в лабораторных и натурных условиях.

7. На отдельных примерах показана возможность применения разработанных методик для решения различных задач строительной теплотехники, в том числе решения «обратной задачи» -корректировки конструкции балконного узла для достижения заранее заданных удельных потерь теплоты или приведенного сопротивления теплопередаче стены в целом.

8. Сформулированы предложения по внедрению в нормативные документы, в том числе алгоритм нахождения минимальной температуры на внутренней поверхности балконного узла и алгоритм нахождения удельных потерь теплоты через балконный узел.

Методология и методы исследования.

Методологической основой работы являются достижения отечественных и зарубежных ученых в области теплотехнических исследований. В диссертационной работе используется теоретическо-экспериментальный метод.

Расчеты температурных полей проводились с помощью трехмерного моделирования стационарного процесса теплопередачи, основанного на конечно-разностном методе в декартовых координатах.

Аналитические расчеты проводились с помощью фундаментальных законов теплопереноса и аппарата математического анализа. Расчеты удельных потерь теплоты, приведенного сопротивления теплопередаче проводились в соответствии с СП 50.13330.2012, СП 131.13330.2012 и СП 230.1325800.2015.

Все экспериментальные исследования выполнены в лаборатории ФГБУ НИИСФ РААСН. Исследования в климатической камере проводились в соответствии с ГОСТ 26254-84, ГОСТ 26629-85, ГОСТ Р 50342-92 и ГОСТ Р 50431-92 с использованием поверенных датчиков температуры и теплового потока. Определение тепловых потоков через фрагменты ограждающей конструкции и температур на поверхностях конструкции определялись с помощью 10-ти канальных измерителей плотности тепловых потоков и температур ИТП-МГ4.03/10 «ПОТОК», мультиметра APPA 107N для снятия показаний с пары проводников медь-константан. Регистрация температуры наружного и внутреннего воздуха проводилась с помощью термохронов DS1922L-F5 iButton.

Методика натурного эксперимента базировалась на показаниях поверенных приборов. Автоматическая обработка результатов эксперимента выполнена с применением программного пакета Microsoft Office Excel. В качестве теоретической базы для исследования использованы фундаментальные положения строительной теплофизики.

Положения, выносимые на защиту:

- формула для нахождения минимальной температуры на внутренней поверхности балконного узла стены с наружным утеплением;

- методика упрощенного расчета удельных потерь теплоты через балконный узел для стены с наружным утеплением;

- методика упрощенного расчета удельных потерь теплоты через балконный узел для однослойной стены;

- понятие «термическое сопротивление балконного узла» и возможность его нахождения как суммы термических сопротивлений трех частей балконного узла.

Достоверность результатов обеспечивается применением современных методов научных исследований с использованием классических методов строительной теплофизики. Диссертация опирается на достижения признанных отечественных и зарубежных ученых в этой области.

Теоретические выкладки основаны на классических законах математического моделирования теплопереноса, на теории расчета приведенного сопротивления теплопередаче. При постановке эксперимента и натурных исследований использованы общепринятые методики, поверенное оборудование и измерительные приборы. Результаты исследования воспроизводимы при многократных измерениях.

Достоверность результатов обусловливается удовлетворительной сходимостью результатов аналитических и численных расчетов и экспериментальных и натурных исследований.

Апробация работы. По теме диссертации были сделаны доклады на следующих конференциях:

1. Научная конференция - V Академические чтения, посвященные памяти академика Г.Л. Осипова, «Актуальные вопросы строительной физики. Энергосбережение, надежность строительных конструкций, экологическая безопасность». Москва, 2-4 июля 2013 г.

2. Международная научно-практическая конференция - Экологическая безопасность и энергосбережение в строительстве. Москва-Кавала, 17-27 августа 2013г.

3. Международная научно-практическая конференция - Проблемы экологической безопасности и энергосбережения в строительстве и ЖКХ. Москва-Кавала, 18-29 августа 2014 г.

4. Научная конференция - VII Академические чтения, посвященные памяти академика Г.Л. Осипова, «Актуальные вопросы строительной

физики. Техническое регулирование в строительстве». Москва, 5-8 июля 2016 г.

5. Научная конференция - VIII Академические чтения, посвященные памяти академика Г.Л. Осипова, «Актуальные вопросы строительной физики. Энергосбережение. Надежность строительных конструкций и экологическая безопасность». Москва, 3-5 июля 2017 г.

6. Международная научная конференция - Международный форум и выставка высотного и уникального строительства 100+ Forum Russia. Екатеринбург, 4 - 6 октября 2017 г.

7. Научная конференция - IX Академические чтения, посвященные памяти академика Г.Л. Осипова, «Актуальные вопросы строительной физики. Энергосбережение. Надежность строительных конструкций и экологическая безопасность». Москва, 4-6 июля 2018 г.

Область исследования соответствует требованиям паспорта научной специальности ВАК 05.23.01 Строительные конструкции, здания и сооружения, а именно п. 3 «Создание и развитие эффективных методов расчета и экспериментальных исследований вновь возводимых, восстанавливаемых и усиливаемых строительных конструкций наиболее полно учитывающих специфику воздействий на них, свойства материалов, специфику конструктивных решений и другие особенности».

Внедрение результатов исследований.

Результаты работы использованы при разработке СП 345.1325800.2017 «Здания жилые и общественные. Правила проектирования тепловой защиты». Результаты диссертации использованы при выполнении НИОКР по теме «Разработка методики определения удельных потерь теплоты и подготовка справочных материалов для корректировки стандарта ИСО» в рамках договора НИИСФ РААСН № 41020(2018) от 02.03.2018 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 работ, из которых 11 работ - в журналах, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией РФ, 3 работы - в журналах, включенных в базу данных Scopus.

Структура и объем работы. Диссертационная работа включает в себя: введение, пять глав, заключение, список литературы (116 наименований, в том числе 26 на иностранных языках), 61 рисунок, 27 таблиц, 101 формула. Общий объем диссертации - 161 страница.

ГЛАВА 1. Состояние вопроса 1.1. История нормирования тепловой защиты зданий в России

Тепловая защита зданий - теплофизические свойства и характеристики наружных и внутренних ограждающих конструкций здания, обеспечивающие заданный уровень расхода тепловой энергии здания с учетом воздухообмена, воздухопроницаемости, защиты от переувлажнения ограждающих конструкций, в т.ч. теплозащитные характеристики оболочки здания.

Оптимизация тепловой защиты зданий - одна из основных задач энергосберегающей политики в РФ в сфере строительства. Данной проблемой занимаются ученые на протяжении десятков лет. И основные конструктивные решения, которые значительно влияют на энергосбережение зданий и сооружений в целом, уже были применены. В настоящее время достичь больших результатов можно либо с помощью применения передовых инновационных материалов, либо благодаря кропотливому изучению и последующему совершенствованию теплотехнических характеристик узлов, не обладающих однородностью.

Сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций как показатель тепловой защиты зданий в СССР нормировали только по глади стены довольно длительное время. Так, минимальная толщина наружных стен была установлена в размере толщиной в 2,5 кирпича и считалась достаточно энергосберегающей для регионов центральной России. Сопротивление

теплопередаче такой стены было равно = 0,95 .

В 1929 г. К.Ф. Фокиным, В. М. Чаплиным, О. Е. Власовым и Т. Ф. Максимовым были разработаны Технические условия и нормы теплотехнического расчета ограждающих конструкций [67]. Тогда были унифицированы жилые здания благодаря стандартизации условий и требований к строительству, а также были введены первые нормы по тепловой защите зданий (по сопротивлению теплопередаче).

В 1939 г. были разработаны и введены в действие «Нормы определения теплопотерь через ограждения зданий и расчетных температур» ОСТ 9000839 [55]. Впервые удельную теплозащитную характеристику здания было предложено использовать для нормирования теплопотерь через оболочку здания. Также, в этом документе была предложена более подробная карта климатических зон, близкая к современной.

В качестве основного нормативного документа с 1954 г. стали действовать Строительные нормы и правила (СНиП), обязательные к исполнению, в состав которых был включен СНиП по строительной теплотехнике зданий в виде отдельной главы [61]. В СНиП включено нормирование сопротивления теплопередаче по принципу обеспечения расчетного перепада температуры между поверхностью ограждающих конструкций и внутренним воздухом. При этом расчетная температура внутреннего воздуха для большей части страны принималась равной 18 °С, а расчетная температура наружного воздуха принималась равной температуре наиболее холодной пятидневки. Дополнительно требовалось обеспечить отсутствие выпадения конденсата на внутренней поверхности узлов ограждающих конструкций. Одним из важных нововведений было прямое указание на необходимость расчета температурных полей для неоднородных ограждающих конструкций.

В связи с тем, что неминуемо было появление неоднородностей в более сложных конструкциях, а также выход на рынок более энергоэффективных материалов, ученые того времени пришли к выводу, что необходимо усовершенствование имеющихся способов определения теплотехнических характеристик узлов. В это время сотрудники НИИСФ проводили передовые натурные, экспериментальные и расчетные исследования. Строились новые, в том числе уникальные, климатические камеры. Проводились обследования большого числа типовых и экспериментальных зданий. Это все позволило накопить важный материал для дальнейшего развития строительной теплофизики.

Вплоть до окончания 80-х годов в рамках энергетической политики страны здания и сооружения были обеспечены теплом практически бесплатно в виду того, что цена на топливо была невысока. Поэтому первостепенными были капитальные затраты при строительстве, а не эксплуатационные. Нормативная база требовала соответствие санитарно-гигиеническим требованиям, требованиям безопасности и экономии строительных материалов.

В 90-е гг. страна перешла к рыночной экономике, цены на топливо резко возросли. Стало ясно, что более невозможно потреблять энергетические ресурсы страны на эксплуатационные расходы столь расточительно. Для поддержания требуемого микроклимата в зданиях необходимо инициировать новые нормы на законодательном уровне.

В связи с этим в стране на уровне парламента были приняты законодательные акты, в том числе Закон «Об энергосбережении» (1996) и Закон «О защите прав потребителя» (1996), направленные на энергосбережение и эффективное использование энергии.

Так, впервые появилось нормирование приведенного сопротивления теплопередаче в связи с федеральной целевой программой

"Энергосбережение России" на 1998 - 2005 годы , разделенной на два этапа (1998 - 2000 гг. и 2001- 2005 гг.). В СНиП 11-3-79* «Строительная теплотехника» [60] для 1 этапа энергосбережения приведены минимальные значения сопротивления теплопередаче, которые должны приниматься в проектах с 1 сентября 1995 г. и обеспечиваться в строительстве начиная с 1 июля 1996 г., кроме зданий высотой до 3-х этажей со стенами из мелкоштучных материалов. В зданиях на проектирование могут быть установлены более высокие показатели теплозащиты, в том числе соответствующие нормам второго этапа энергосбережения. А также приведены минимальные значения сопротивления теплопередаче для зданий, строительство которых начинается с 1 января 2000 г. (второй этап энергосбережения). При этом, для вновь строящихся зданий высотой до 3-х

этажей со стенами из мелкоштучных материалов, а также реконструируемых и капитально ремонтируемых независимо от этажности сроки введения в действия требований второго этапа энергосбережения устанавливаются как для первого этапа. В это время расчетная температура внутреннего воздуха была повышена с 18 °С до 20 °С, что так же повлияло на повышение нормативных требований.

Так, для первого этапа энергосбережения приведенное сопротивление

Тр М2-К тр

теплопередаче наружных стен составило = 1,8 ——, а для второго - = ■э 1 с М^К

3,15 —— для условий московского региона.

В 2003 г. введен в действие СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» [59], в котором внедрен комплексный подход, заключавшийся в ограничении затрат тепла на отопление и вентиляцию, при выполнении которого разрешалось ослабление требований к отдельным ограждающим элементам. Нормы по тепловой защите зданий гармонизированы с аналогичными зарубежными нормами развитых стран.

В 2012 г. вышел СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий. Актуализированная редакция СНиП 23-02-2003» [66], повышающий уровень безопасности людей в зданиях и сооружениях и сохранности материальных ценностей в соответствии с Федеральным законом от 30 декабря 2009 г. №2 384-Ф3 «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений». Этот документ повышал уровень гармонизации нормативных требований с европейскими и международными нормативными документами, способствовал применению единых методов определения эксплуатационных характеристик и методов оценки. Благодаря этому СП нормированное сопротивление теплопередаче остается примерно на том же уровне и для наружных стен с расчетной температурой внутреннего воздуха 20 °С и равно

= 3,13 М—К для г. Москва.

О ' Вт

В 2015 г. НИИСФ был введен СП 230.1325800.2015 «Конструкции ограждающие зданий. Характеристики теплотехнических неоднородностей»

[63]. СП был разработан с целью повышения качества проектирования тепловой защиты зданий, упрощения работы специалистов, проектирующих тепловой контур здания. Основную часть свода правил составили таблицы с расчетными характеристиками различных узлов конструкций, позволяющие частично или полностью исключить расчеты температурных полей в процессе проектирования или экспертной оценки конструкций. Метод расчета приведенного сопротивления теплопередаче и табличные данные разработаны В.В. Козловым и В.Г. Гагариным.

1.2. Развитие представлений о тепловой защите зданий в работах

российских ученых

Одним из родоначальников строительной теплотехники являлся К.Ф. Фокин, им были организованы и проведены первые натурные теплофизические исследования в жилых домах, выполнены крупные исследования влажностного режима ограждающих конструкций, температурных полей узлов ограждающих конструкций, предложена методика определения расчетных зимних температур наружного воздуха. Эти исследования завершились разработкой общей теории конструирования ограждающих конструкций и сделали имя ученого широко известным инженерам-строителям.

К.Ф. Фокиным совместно с О.Е. Власовым были разработаны первые в СССР нормы строительной теплотехники, изданные в 1929 г. Все последующие редакции норм выпускались под руководством К.Ф. Фокина.

Исследованиями в области теплотехники также занимались О.А. Вутке [12], А.У. Франчук [86, 87], И.С. Каммерер [36], В.Д. Мачинский [50, 51]. Их трудами созданы теплотехнические основы гражданского проектирования, таблицы теплотехнических показателей строительных материалов, проведены первые численные расчеты температурных полей, получены

экспериментальные данные с помощью термодатчиков, а также ими изучался зарубежный опыт коллег.

Ф.В. Ушков в 50-60е гг. занимался исследованиями узлов и конструкций панельного домостроения в климатических камерах [85], расчетами увлажнения ограждающих частей зданий. В своих работах В.М. Ильинский [35], Б.Ф. Васильев [11], А.М. Шкловер [88, 89] изучали теплофизические основы проектирования зданий и ограждающих конструкций, удовлетворяющих требованиям «нормального теплового состояния» помещений в различных климатических условиях. Ими были проведены натурные теплофизические исследования, проводившиеся в течение ряда лет в жилых зданиях массового строительства в различных городах в зимних и летних условиях, а также предложены инженерные методы расчетов теплопередачи наружных ограждающих конструкций, их влажностного режима и воздухопроницаемости.

А. В. Лыков в [46] занимался вопросами тепло- и массообмена и подробно рассмотрел теплофизические характеристики строительных материалов с использованием методов термодинамики массопереноса. Кроме аналитических и экспериментальных методов в работах А. В. Лыкова применялась теория переноса к исследованию тепло- и массообмена в ограждающих конструкциях и в технологических процессах производства строительных материалов.

А.И. Ананьев в [1, 2, 3] работал над повышением теплотехнических качеств наружных стен из керамического камня и кирпича со сквозными пустотами, в [4] изучал влияние социальных факторов на уровень тепловой защиты зданий. Труды В.Н. Богословского [5, 6, 7, 8] формулируют и объясняют физические процессы, влияющие на формирование микроклимата в отапливаемых и вентилируемых помещениях, комфортность и обеспеченность среды обитания человека. И.Н. Бутовский [9, 10] занимался расчетами температурных полей и расчетами теплозащитных характеристик ограждающих конструкций. В.Г. Гагарин участвовал в большинстве

практических задач по расчету теплофизических характеристик ограждающих конструкций, сопротивления теплопередаче. В.А. Могутов [52, 53] работал над расчётами приведенного сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций, проводил экспериментальные и натурные исследования, изучал характеристики строительных материалов. В.К. Савин [56, 57, 58] занимался вопросами энергопереноса, движения воздуха, уточнением коэффициента теплообмена и свойств теплообмена в пограничных зонах, а также участвовал в создании справочных пособий и нормативных документов по строительной климатологии.

Основные научные разработки в современное время в отрасли ведутся в НИИСФ РААСН под руководством И.Л. Шубина. В. Г. Гагарин стоит во главе современного нормирования тепловой защиты, а также метода расчета приведенного сопротивления теплопередаче с учетом влияния линейных и точечных неоднородностей [15, 16, 17, 20, 22, 25, 27]. В.Г. Гагарин изучает вопросы теплозащитных характеристик при применении навесных фасадных систем [18, 21, 26]. Владимир Геннадьевич освещает в своих работах исследования истории теплозащиты, оценку энергетической эффективности энергосберегающих мероприятий [13, 14, 19, 23, 24, 28, 29].

Большой вклад в разработку новых методов расчета приведенного сопротивления теплопередаче внес В.В. Козлов [37, 38, 39]. Работы Владимира Владимировича посвящены расчетам теплотехнических характеристик сложных ограждающих конструкций, а также численным и теоретическим изысканиям на эту тему [41, 42]. Владимир Владимирович также занимается методиками оценки теплозащиты стены здания с навесной фасадной системой [14, 21, 26], вопросами увлажнения ограждающих конструкций [13, 18], оптимизацией теплозащиты ограждающих конструкций [40]. В.В. Козлов совместно с В.Г. Гагариным принимал участие в разработке СНиП 23.02.2003 «Тепловая защита зданий. Актуализированная редакция» [15, 17, 23, 59].

Н.П. Умнякова занимается исследованиями, в которых раскрыта тема теплообмена на поверхности выступающих элементов наружных ограждений

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Андрейцева Кристина Сергеевна, 2018 год

- - - \

\ — ^ -

> > у-- 1 ,— _ _

У > \ ^__ 1 ._ __ ..

1

к — - - - /

Рисунок 3.6 - Схема узла с обозначением сектора цилиндра.

Сопротивление третьего участка в этом случае будет складываться из термического сопротивления по формуле (3.11) и сопротивления теплообмену

с внутренним воздухом, который протекает на поверхности равной дуге с

радиусом пп/-1 д + йосн. Протяженность этой дуги равна йпп + 1,8 • й

1 пп/18 + ^осн

Яь = -1п-18-+

осн-

Дь =

1,8 • ^осн 1

а

пп/

1,8

1,8 • \

1п(1 + 1,8'^сн) +

осн

й

пп

ав(^пп + 1,8 • ^осн) 1

ав(^пп + 1,8 • ^осн)

(3.12)

На Рисунке 3.7 приведено сравнение численных расчетов и расчетов по формуле (3.12).

0,700

0,650

0,600

1-

со 0,550

с.;

о

:> 0,500

.а

сс 0,450

0,400

0,350

0,1

0,2 dпп, м

0,3

0,4

Рисунок 3.7 - График сравнения численных расчетов и расчетов по формуле

(3.12)

На Рисунке 3.7 аналитические расчеты представлены линией серого цвета, расчеты, полученные по температурным полям обозначены линией оранжевого цвета.

В общем случае сопротивление третьего участка находится как сумма двух термических сопротивлений, расположенных параллельно. Одно термическое сопротивление характеризует потери теплоты за счет плиты перекрытия и найдено в формуле (3.9). Второе термическое сопротивление

0

характеризует потери теплоты через основание стены, прилегающее к плите перекрытия. Его можно найти по формуле (3.12) с учетом того, что в формуле (3.12) найдено термическое сопротивление сектора цилиндра, участки основания, прилегающие к плите перекрытия составляют лишь часть этого сектора. Термическое сопротивление части цилиндра будет отличаться множителем (далее х). Т.к. с толщиной плиты перекрытия геометрия частей меняется, множитель будет зависеть от толщины плиты перекрытия.

В общем случае термическое сопротивление третьего участка находится по формуле:

Да • хД^

^баЗ = р + ■ С3'13)

ка + ХКЬ

Для того, чтобы пользоваться формулой (3.14), нам нужно заранее знать, чему равен х. По своему определению множитель х зависит только от геометрии системы, поэтому его можно найти заранее и использовать в дальнейших расчетах. Для нахождения множителя х воспользуемся тем, что при теплопроводности основания равной теплопроводности плиты перекрытия одновременно выполняются и формула (3.12) и формула (3.13).

Для этого частного случая приравняем Дба3 и Дь. Дь в этом случае будем обозначать д£.

Да • _ Оо Да + *Дь

О = йь. (3.14)

Выражая отсюда х, получим формулу для его нахождения

Д,

х = п ^Го ■ (3-15)

Да — Дь

Используя формулы (3.9), (3.12) и (3.15), для разных толщин плиты перекрытия найдены значения множителя х в Таблице 3.2.

Таблица 3.2 - Значения множителя х

Толщина плиты перекрытия, м Множитель х

0,1 1,75

0,2 2,13

0,3 2,28

На Рисунке 3.8 приведено сравнение численных расчетов и расчетов по формуле (3.13).

Рисунок 3.8 - График сравнения численных расчетов и расчетов по формуле

(3.13)

На Рисунке 3.8 маркерами обозначены результаты, полученные численным способом, линиями - по формуле (3.13) для трех вариантов

теплопроводности основания (считая сверху вниз 0,4 0,81 1,3 -Вт-).

м-°С м-°С м^°С

3.5. Удельные потери теплоты через балконный узел

Конечная цель настоящей главы - найти приближенную формулу для удельных потерь теплоты через балконный узел. Найденные выше

сопротивления Дба1,Дба2 и ^баз позволяют по формуле (3.1) найти термическое сопротивление неоднородности, которое по определению является величиной обратной к удельным потерям теплоты.

¥ = (3-16)

кба ко

При нахождении термических сопротивлений частей узла у каждого сопротивления была своя погрешность. Т.к. эти погрешности могут как дополнять, так и компенсировать друг друга, проведем сравнение численных и аналитических расчетов для удельных потерь теплоты через балконный узел. Результаты сравнения представлены на Рисунке 3.9. Линиями обозначены результаты аналитических расчетов, маркерами - результаты расчетов температурных полей для трех вариантов теплопроводности основания

(начиная сверху вниз, 2,04 0,81 0,4 -Вт-).

Рисунок 3.9 - Зависимость удельных потерь теплоты от теплопроводности

эффективного слоя

Результаты, представленные на Рисунке 3.9, показывают качественное совпадение результатов численных расчетов и расчетов по формуле (3.16). Различие между численными и аналитическими расчётами невелико и

Вт

достигает своего максимума при теплопроводности эффективного слоя 0,9 —, который в строительной практике не реализуется. Для реалистичного в

Вт

строительной практике случая Л.перф = 0,75 .. 0,8 —— наибольшая погрешность составляет 2% - 3%, а по абсолютному значению - 0,012 ..

Вт

0,018—.

м-°С

При расчете приведенного сопротивления теплопередаче даже

Вт

наибольшее значение погрешности ¥ (0,018 —) приведет к следующей

погрешности в расчетах.

Характерные для современного строительства значения и составляют

Вт

0,3 - 0,4 ——. Погрешность А и, создаваемая неточностью расчета удельных

м^ •"С

Вт

потерь теплоты через балконный узел, ^ • Д¥ = 0,12 • 0,018 = 0,002 .

Для типовых случаев погрешность расчета приведенного сопротивления теплопередаче окажется менее чем 0,7%.

Все рассмотренные примеры показывают малость погрешности разработанного приближенного метода расчета удельных потерь теплоты через балконный узел. Таким образом, разработанный метод можно рекомендовать для внедрения в проектную практику.

3.6. Возможности обобщения методов расчета удельных потерь

теплоты через балконный узел.

Изложенный выше метод разработан и может быть применен только к балконным узлам стен с наружным утеплением. При этом, указанный метод с небольшими доработками может применен и к другим ограждающим конструкциям, в перспективе охватив все варианты стен.

Конечно, такое расширение применимости метода потребует дополнительной работы с каждым видом стен. Наиболее просто полученные выше результаты обобщаются на трехслойные стены с утеплителем в среднем слое. В этом случае можно применять описанный выше метод с одним изменением: термическое сопротивление части 1 нужно находить по методике, изложенной в параграфе 3.4, для нахождения термического сопротивления части 3.

Ниже рассмотрим еще одно, несколько более трудное расширение методики для однослойных стен.

Выше для нахождения удельных потерь теплоты через балконный узел он был разделен на три условные части. Проведем аналогичные действия и для этого случая. Такое разделение представлено на Рисунке 3.10.

Рисунок 3.10 - Схема балконного узла, где красным цветом обозначена часть

1, синим - часть 2, зеленым -часть3

Как видно из Рисунка 3.10 часть 3 полностью аналогична части 3, разобранной выше, и поэтому для нее будет справедлива формула (3.13). Часть

1 изменяется и становится аналогичной части 3, поэтому ее термическое

сопротивление можно также найти по формуле (3.13) с заменой коэффициента

теплообмена с внутреннего на наружный.

Наибольшую сложность представляет отличие части 2. Хотя внешне она

почти не изменилась, а поменялась теплопроводность окружающих

перфориванный слой материалов. Для характерных для однослойных

конструкций теплопроводностей материалов огибание перфориванного слоя

тепловым потоком по окружающим материалам может оказаться очень

существенным, и пренебречь им, как это сделано в предыдущем

рассмотрении, не удается.

Дополнительный поток теплоты, проходящий через узел в этом месте,

Вт

разделится на две составляющих: одна часть потока @доп1,—, пойдет по

Вт

перфорации плиты перекрытия, другая часть @доп2,—, будет огибать

м

перфорацию по материалу стены. @доп1 полностью зависит от перфорации плиты перекрытия и ее толщины и преодолеет сопротивление, которое может быть найдено по формуле (3.2). @доп2 определяется геометрией узла и зависит только от теплопроводности материала стены. Можно заметить, что для всех вариантов узла сопротивление этой части будет одинаковым при одинаковой теплопроводности материала стены, т.к. геометрия узла нигде не изменяется.

Запишем потоки через термические сопротивления частей конструкции.

где Дперф — термическое сопротивление перфорированного участка плиты

м°С

перекрытия, —;

(3.17)

¿2

(3.18)

^ба2 Дперф

Докруж — термическое сопротивление при огибании перфорированного

м°С

участка, —.

Выразим Дба2 через термические сопротивления частей:

Дба2 =—-(3.19)

~5 + ~5

^перф ^окруж

Предполагается, что Дперф находится по формуле (3.2). Для проверки сделанных предположений и формулы (3.19) проведены численные расчеты серии балконных узлов с различной теплопроводностью материала стены и различной толщиной плиты перекрытия. Результаты представлены на Рисунке 3.11. Для удобства анализа результатов на графиках приведена зависимость величины обратной к Дба2 от теплопроводности материала основания. Маркерами показаны результаты численных расчетов, проведены линии линейной регрессии, и представлены уравнения регрессии. Синим цветом обозначены данные для плиты перекрытия толщиной 0,1 м, оранжевым - 0,2 м, и серым - 0,3 м.

1,2

^ 0,8 и

0

1 0,6 со

(Ч 0,4 го ю сс

> 0,2

0,1

0,2

0,3

0,4 0,5 0,6

Лосн, Вт/(м°

у = 0,193х ...............• + 0,9852

К2 = 0, 9987

К2 = 0,9996

у = 0,2371х + 0,3372 ................................................*............*

К2 = 0,9999

0,7

0,8

0,9

0

0

Рисунок 3.11 - Сравнение аналитических расчетов по формуле (3.16) с

численными

Сделанные предположения полностью подтвердились. Термическое

пропорционально теплопроводности материала стены. Постоянная часть в уравнениях регрессии - это величина обратная к Дперф. Расчетами получено, что для толщины плиты перекрытия 0,1 м она составляет 0,337, для толщины плиты перекрытия 0,2 м - 0,658, 0,3 м - 0,985. Эти же величины, посчитанные по формуле (3.2), составляют для толщины плиты перекрытия 0,1 м она составляет 0,331, для толщины плиты перекрытия 0,2 м - 0,661, 0,3 м - 0,992.

Величина обратная к Докруж прямо пропорциональна теплопроводности материала стены, далее коэффициент пропорциональности будем называть «коэффициентом влияния стены». Этот коэффициент, полученный расчетами, несколько отличается в зависимости от толщины плиты перекрытия. Учитывая, что отличия не очень велики, можно рекомендовать в дальнейшем использовать средний коэффициент влияния стены равный 0,22. Во-первых, выбранные значения коэффициента соответствуют толщинам плиты перекрытия, наиболее распространенным в современном строительстве. Во-вторых, влияние этого коэффициента не очень велико, и небольшая погрешность в его определении практически не скажется на результате.

Формула (3.21) позволяет с учетом выше сделанных замечаний распространить разработанный метод нахождения удельных потерь теплоты через балконный узел на однослойные конструкции. Аналогичные изыскания могут быть проведены для других видов стен, что в перспективе позволит прийти к единообразному описанию удельных потерь теплоты через все балконные узлы. Более того, разработанный метод может быть распространен на узлы примыкания плиты перекрытия к стене, но подобная доработка выходит за рамки настоящей работы.

сопротивление при огибании перфорированного участка

окруж

обратно

1

(3.20)

3.7. Выводы к главе 3

1. Для разработки инженерного метода нахождения удельных потерь теплоты введено понятие «термическое сопротивление балконного узла». Балконный узел разделен на три части, для каждой из которых приводится метод нахождения термического сопротивления.

2. Для части балконного узла, содержащей перфорацию плиты перекрытия, проведено исследование влияния характеристик перфорации и окружающей конструкции на термическое сопротивление. Результаты обобщены в Таблице 3.1 в виде зависимости теплопроводности эффективного слоя от шага перфорации и материала основания стены.

3. Разработан инженерный метод нахождения удельных потерь теплоты через балконный узел. Численными расчетами показана хорошая сходимость результатов расчета предложенным методом и прямого расчета температурного поля исследуемого узла. Разработанный метод может быть рекомендован для внедрения в проектную практику.

4. В работе на примере балконного узла однослойной конструкции показана возможность обобщения предложенного инженерного метода. Обобщение не требует больших изменений формулы (3.2). Результаты показывают высокую точность, поэтому можно констатировать, что использованный подход к решению задачи позволит в дальнейшем обобщить инженерный метод на все варианты узла стыка плиты перекрытия с наружной стеной.

5. Для внедрения разработанных инженерных методов по нахождению удельных потерь теплоты и минимальной температуры на внутренней поверхности необходимо экспериментальная и

практическая проверка. Такие проверки проводятся в 4 и 5 главах диссертации.

6. Дальнейшее развитие данной тематики, в частности обобщение инженерного метода на более широкий круг конструкций, потребует расширения Таблицы 3.1.

ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования

В настоящей главе проводятся экспериментальные и натурные исследования, направленные на проверку закономерностей, полученных во второй и третьей главах. Во всех случаях исследуется балконный узел, для которого фиксируется распределение температуры на наружной и внутренней поверхностях.

4.1. Лабораторный эксперимент

Лабораторный эксперимент был проведен в испытательных климатических камерах НИИСФ РААСН, проемы которых позволяют размещать образцы в натуральную величину. Регулировка температуры возможна как в холодном, так и в теплом отделениях.

4.1.1. Описание конструкции

В климатической камере был установлен натурный испытательный образец наружной ограждающей конструкции сопряжения наружной стены с междуэтажным перекрытием и балконной плитой с устройством перфорации в междуэтажном перекрытии, заполненной эффективной теплоизоляцией в виде вставок из пенополистирола.

Шаг перфорации составил 200/500, где 500 мм - это эффективная теплоизоляция из пенополистирола, которая находится по одной оси с утеплителем стены.

Ограждающая конструкция представлена следующим образом. Внутренний слой выполнен из несущего железобетона толщиной 200 мм с армированием стальным сетками с шагом 200 х 200 мм и диаметром 12 мм. Утепление данного каркаса выполнено из пенополистирола толщиной 120 мм с аналогичной плотностью, как в термовставках. Наружная облицовка представляет собой синтетический штукатурный раствор по полимерной

сетке. На Рисунках 4.1 и 4.2 изображена схема экспериментальной конструкции.

Рисунок 4.1 - Разрез экспериментальной конструкции

Рисунок 4.2 - План экспериментальной конструкции

4.1.2. Этапы монтажа конструкции

Полномасштабная сборка и монтаж конструкции осуществлялись непосредственно в самой камере в несколько этапов.

На первом этапе были собраны все арматурные каркасы для последующего монтажа испытательного образца. На втором этапе собиралась нижняя часть конструкции. Арматурные каркасы для этой части конструкции были выставлены в проектное положение. На арматурные каркасы размещались датчики температуры, с помощью которых впоследствии происходили замеры температуры в толще бетона. Это проиллюстрировано на Рисунках 4.3 и 4.4. Затем, устанавливалась опалубка, и осуществлялась заливка бетона. Демонтаж опалубки был выполнен после набора прочности бетоном.

Рисунок 4.3 - Установка арматурного каркаса и размещение датчиков

Рисунок 4.4 - Размещение датчиков температуры на арматурном

каркасе

На третьем этапе была собрана опалубка для будущей плиты перекрытия, балконной плиты и верхней части конструкции, установлены арматурные каркасы с датчиками температуры в проектное положение. После проверки работоспособности всех датчиков конструкция заливалась бетоном, а после набора требуемой прочности бетона опалубка верхней части образца

также была демонтирована. На Рисунке 4.5 изображен общий вид конструкции с размещенными датчиками.

Рисунок 4.5 - Общий вид конструкции. Размещение датчиков температуры на поверхности конструкции

Т.к. бетонные работы проводились в испытательной камере с ограниченным воздухообменом, испытательный образец высушивался в течение 50 дней для достижения значения влажности конструкции не более 2%. Контроль влажности выполнялся с использованием влагомера ВСКМ-12У. Набор прочности бетона сопровождается экзотермической реакцией, для отсутствия влияния данного факта осуществлялся контроль термодинамических процессов в теле конструкции.

После достижения обозначенных выше параметров на поверхности конструкции со стороны отсека, имитирующего внешние термические воздействия, были размещены дополнительные датчики температуры.

На подготовленную бетонную поверхность испытательного образца со стороны холодного отсека была закреплена тепловая изоляция с использованием пенополистирольных плит плотностью 35 кг/м3. Крепление плит выполнялось тарельчатыми дюбелями с пластиковым сердечником.

Декоративный-облицовочный слой выполнен поверх

пенополистирольных плит из тонкого слоя синтетической штукатурки с использованием армирующей щелочестойкой полимерной стеклосетки.

По окончанию просушки облицовочного слоя на его поверхность также были установлены температурные датчики.

Со стороны теплого отсека камеры на поверхности бетонной конструкции были размещены датчики температуры и теплового потока.

4.1.3. Описание приборов и схема расстановки датчиков

Температурные датчики, размещенные в теле конструкции, представляют собой пару проводников (медь-константан), соединенных при помощи сварки, датчики расположенные на поверхностях конструкции находящихся в теплой и холодной зонах представляют собой платиновые термопреобразователи.

Датчики теплового потока представляют собой гальваническую медь-константановую термобатарею из нескольких сот последовательно соединенных термопар, сложенных бифилярно в спираль и залитых эпоксидным компаудом.

Схема и фото расстановки датчиков представлена на Рисунках 4.6, 4.7 и

4.8.

ч

Рисунок 4.6 - Схема размещения датчиков температуры по сечению конструкции с термовставками из пенополистирола (сечение по бетону)

Рисунок 4.7 - Схема размещения датчиков температуры по сечению конструкции с термовставками из пенополистирола (сечение по

пенополистиролу)

Рисунок 4.8. - Расположение датчиков на поверхности конструкции

4.1.4. Методика проведения эксперимента

В процессе эксперимента были проведены пошаговые испытания конструкции при различных температурах воздуха в наружном отделении камеры: минус 10 °С, минус 20 °С, минус 30 °С, минус 38 °С. Для каждого температурного режима достигались значения стационарного распределения температуры, после чего фиксировались контролируемые параметры. Массивы данных регистрировались в течение двух суток, по результатам чего вычислялись усредненные результаты.

В процессе испытания дополнительно проводилась тепловизионное обследование экспериментального образца конструкции. Данные неразрушающие испытания тепловым методом проводились с помощью тепловизионной ИК камеры TH9100WL производства фирмы "NEC San-eilnstruments", США. Диапазон измерений: минус 40 °С ^ плюс 500 °С, чувствительность 0,08 °С, разрешение 320 X 240. Обследование проводилось в соответствии с требованиями ГОСТ Р 54852-2011 «Здания и сооружения. Метод тепловизионного контроля качества теплоизоляции ограждающих конструкций» [31].

Тепловая съемка поверхности конструкции происходила в климатической камере со стороны теплой зоны после установления стационарного режима в конструкции. Перед началом тепловизионной съемки на внутренней поверхности конструкции были установлены геометрические реперные точки в виде горизонтальных и вертикальных полосок металлизированного отражающего материала - металлизированного скотча.

Во время тепловизионной съемки для корреляции абсолютных значений определялась температура поверхности в опорных-реперных точках контактным методом. Результаты термографических снимков учитывались только с учетом значений температуры, полученных в реперных точках. Обработанные в специализированной программе термограммы представлены на Рисунке 4.9.

Рисунок 4.9 - Термограммы внутренней поверхности конструкции.

Общий вид снизу

4.2. Исследования в натурных условиях.

4.2.1. Описание конструкции. Выбор объекта исследования

Натурные испытания аналогичных по техническим характеристикам узлов проводились в помещениях лоджий и жилых комнатах на 11 и 12 этажах монолитного дома по адресу: г. Москва, Марксистская ул. д. 7. Данное здание было построено в 2001 г. Фасад здания облицован декоративной штукатуркой по базальтовым минераловатным плитам толщиной 0,15 м, закрепленным на основании из керамзитобетонных блоков толщиной 0,20 м. Лоджии представляют собой вынос железобетонной плиты перекрытия с перфорационными отверстиями со вставками утеплителя. Для достоверности эксперимента створки лоджий были открыты на протяжении всего эксперимента. На Рисунке 4.10 изображена схема экспериментального узла.

Рисунок 4.10 - Схема экспериментального узла

4.2.2. Измеряемые величины и измерительные приборы

В ходе эксперимента измерялись следующие параметры:

• температура наружного воздуха;

• температура внутреннего воздуха на лоджиях 11 и 12 этажей;

• температура поверхности в угловой зоне на наружной и внутренней поверхностях балконного узла в местах перфорации и бетонной перемычки на 11 и 12 этажах.

Для точного расположения датчиков и их привязке к местоположению пефорации в плите перекрытия была проведена тепловизионная съемка внутри помещений, после чего относительно данных вставок были зафиксированы приборы. На Рисунке 4.11 изображена схема расстановки датчиков на поверхности плиты перекрытия снаружи и внутри помещения в зоне стыка наружной стены и плиты перекрытия.

Рисунок 4.11 - Схема расстановки датчиков на поверхности

балконного узла

4.2.3. Методика исследования

Экспериментальные исследования проводились в течение 26 дней в период с 14 января 2014 по 8 февраля 2014.

Показания с приборов снимались в 00:00, 03:00, 06:00, 09:00, 15:00 и 21:00. Время с возможным влиянием солнечной активности не учитывалось в ходе эксперимента в связи с возможным нагревом от солнечных лучей, что могло привести к искажению результатов данного испытания. Время 15:00 было выбрано для контроля хода эксперимента. Каждое показание прибора снималось пять раз с целью отсечения возможных выбросов, появление которых не исключено в силу ветровой нагрузки, и далее выбиралось среднее из них.

С помощью измерителя плотности тепловых потоков и температуры ИТП МГ 4.03/10 «Поток» измерялись значения температуры и тепловых потоков на поверхности, термохроны iButton регистрировали данные по температуре наружного и внутреннего воздуха с периодичностью 30 мин.

4.2.4. Приборы и оборудование

1. Температурные датчики, представляющие собой пару проводников (медь-константан), установлены на исследуемой поверхности, а другим концом подключены к блоку коммутации. Компенсация холодного спая проводилась с помощью льда из дистиллированной воды. К блоку коммутации подсоединен мультиметр для снятия показаний термопар в вольтах. Технические характеристики прибора и его внешний вид приведены в Таблице 4.1 и на Рисунке 4.12.

Таблица 4.1 - Технические характеристики цифрового мультиметра АРРА 107К

Постоянное напряжение

Пределы измерений 20 мВ; 200 мВ; 2; 20; 200; 1000 В

Погрешность ± (0,06 % + 10 ед. сч.)

Максимальное разрешение 1 мкВ

Входное сопротивление 10 МОм

Защита входа =1000 В; ~750В

Переменное напряжение

Пределы измерений 20; 200 мВ; 2; 20; 200; 750 В

Погрешность ± (0,7 % + 50 ед. сч.)

Максимальное разрешение 1 мкВ

Полоса частот 40 Гц ... 100 кГц

Входной импеданс 10 М0м/100 пФ

Защита входа =1000 В; ~750В

Рисунок 4.12 - Мультиметр АРРА 107К и блок коммутации с подсоединёнными шлейфами термопар

2. Термохрон DS1922L-F5 iButton.

Прибор предназначен для измерения температуры окружающей среды. Обеспечивает накопление в собственной энергонезависимой памяти значений температуры среды, окружающей их корпус, в различных измерительных диапазонах с привязкой к реальному времени. Технические характеристики прибора и его внешний вид приведены в Таблице 4.2 и на Рисунке 4.13.

Таблица 4.2 - Основные характеристики и функциональные возможности термохрона DS1922L-F5 iButton

Нормируемый параметр Значения

Диапазон температур -40оС .. +85°С

Минимальная градация регистрации температуры (чувствительность) при сохранении результатов 0,5оС

Погрешность регистрации температуры ±0,5°

Длительность единичного температурного отсчета 75 мс

Емкость счетчика количества измерений, выполненных регистратором в текущей сессии 16777215 отсчетов

Интервал между последовательными измерениями, задаваемый с минимальной градацией 1 секунда 1 с .. 16383 с (~4,55 часа)

Рисунок 4.13 - Термохрон iButton

Для исключения температурных влияний от конструкций при измерении температуры воздуха в помещении и снаружи, термохрон крепился к поверхности через прокладку, с коэффициентом теплопроводности 0,045 Вт/(м-°С).

3. Измеритель плотности тепловых потоков и температуры 10-канальный ИТП -МГ 4.03/10 «Поток».

Прибор предназначен для измерения и регистрации плотности тепловых потоков, проходящих через однослойные и многослойные ограждающие конструкции зданий и сооружений по ГОСТ 25380, через облицовку и теплоизоляцию энергообъектов при экспериментальном исследовании и в условиях эксплуатации. Прибор состоит из автономных программируемых десятиканальных модулей и электронного блока, предназначенного для программирования и сбора информации, накопленной модулями. Технические характеристики прибора и его внешний вид приведены в Таблице 4.3 и на Рисунке 4.14.

Таблица 4.3 - Технические характеристики измерителя плотности тепловых потоков

Наименование характеристик ИТП- МГ4.03/10 «ПОТОК»

Диапазон измерения плотности тепловых потоков, Вт/м2 10...999

Диапазон измерения температуры, С -30...+100

Пределы допускаемой основной относительной погрешности измерения плотности тепловых потоков, % ±6

Пределы допускаемой основной абсолютной погрешности измерения температуры (в диапазоне -30...+80°С), °С ±0.2

Объем архивируемой информации, значений 2000 на канал

Длительность наблюдений (режим самописца), час 1...400

Интервал измерений (режим самописца), мин 1...180

Рисунок 4.14 - ИТП МГ 4.03/10 «Поток»

4.3. Результаты эксперимента и натурных исследований

В ходе эксперимента было получен большой массив данных, который был обработан и проанализирован. Далее будут отображены только самые важные и показательные результаты.

В связи с тем, что распределение температуры по поверхности в балконном узле развивается по экспоненциальному закону по формуле (2.3), то по значению температуры на пересечении наружной стены и плиты перекрытия (точки экстремума) можно получить и распределение температуры по всей поверхности плиты. Поэтому в дальнейшем анализе результатов эксперимента именно температура в этой точке изучалась подробнее.

На Рисунках 4.15 - 4.18 приведено распределение минимальной температуры на внутренней поверхности в зависимости от температуры наружного воздуха.

Время, ч

Рисунок 4.15 - Минимальная температура на поверхности при температуре Ьн = -10 °С в холодном отделении климатической камеры в зависимости от

времени

Рисунок 4.16 - Минимальная температура на поверхности при температуре Ьн = -20 °С в холодном отделении климатической камеры

и

о

СО >

I-

со а ш с

17 16,8 16,6 16,4 16,2 16 15,8 15,6 15,4 15,2

о

Время, ч

Рисунок 4.17 - Минимальная температура на поверхности при температуре Ьн = -30 °С в холодном отделении климатической камеры

и

со

а >

I-

со а ш с

15,8 15,6 15,4 15,2 15 14,8 14,6 14,4 14,2 14 13,8 13,6

Время, ч

о

00

Рисунок 4.18 - Минимальная температура на поверхности при температуре Ьн = -38 °С в холодном отделении климатической камеры

На Рисунках 4.15 - 4.18 синим цветом обозначены экспериментальные данные, которые колеблются с амплитудой ~0,3 °С в силу возможной погрешности измерений, красным цветом представлены линии регрессии, которые после установления стационара представляют собой линейные функции, позволяя в дальнейшем сравнить экспериментальные результаты с расчетными.

На Рисунке 4.19 представлено распределение температуры по поверхности балконной плиты и плиты перекрытия. Зеленым цветом обозначена кривая, полученная посредством экспериментальных исследований, красным - посредством численных расчетов, и синим цветом обозначена кривая, полученная аналитически с помощью формул (2.26) и

(2.3).

Рисунок 4.19 - Распределение температуры по плите перекрытия и балконной плите при температуре наружного воздуха Ьн = -20 °С

Видно, что характер распределения температуры по поверхности плиты, полученный расчетным и аналитическим методом, в целом довольно близок к экспериментальному, и разница между значениями составляет не более 0,3 °С.

На Рисунках 4.20 - 4.23 изображено сравнение расчетных и экспериментальных данных для всех режимов температуры наружного воздуха. Голубым цветом проиллюстрирована кривая минимальной температуры на поверхности в климатической камере, оранжевым цветом -прямая минимальной температуры, полученная численным путем, и серым цветом - прямая, полученная по формуле (2.26), начиная сверху вниз для температуры наружного воздуха, соответственно, минус 10 °С, минус 20 °С, минус 30 °С, минус 38 °С.

17,2 -

^оошчгмооош ч

гН ГМ ГО Ч Ч 1Л ю

Время, ч

Рисунок 4.20 - Минимальная температура на внутренней поверхности экспериментальной конструкции при температуре наружного воздуха Ьн =

-10 °С

17,6

16,2 -

<-10000000 о

Время, ч

Рисунок 4.21 - Минимальная температура на внутренней поверхности экспериментальной конструкции при температуре наружного воздуха Ьн =

-20 °

16,4

<-100000000

Время, ч

Рисунок 4.22 - Минимальная температура на внутренней поверхности экспериментальной конструкции при температуре наружного воздуха Ьн =

-30 °

15,6 15,4 и 15,2

О

го 15

ь 14,8 го

щ 14,6

:> 14,4 £

^ 14,2 14

»н гм т ^ ^ 1Л ю

Время, ч

Рисунок 4.23 - Минимальная температура на внутренней поверхности экспериментальной конструкции при температуре наружного воздуха Ьн =

-38 °С

Аналитические и численные результаты довольно близко лежат к экспериментальным данным с максимальной разницей в ~0,35 °С.

В ходе верификации аналитического выражения для поиска минимальной температуры на внутренней поверхности натурным исследованием была воссоздана модель натурных условий в рамках численной программы, и все полученные данные были проанализированы.

График изменения температуры наружного воздуха во время проведения натурных исследований представлен на Рисунке 4.24.

Рисунок 4.24 - Изменение температуры наружного воздуха в рамках проведения натурных исследований

Как видно из графика, диапазон наружной температуры, при которой происходили замеры, равен -25 °С до .-1 °С. Соответственно, для каждого 1 ° наружного воздуха были рассчитаны значения минимальной температуры на внутренней поверхности посредством полученной формулы (2.26), а также с помощью численной программы.

Наблюдается некоторый разброс измеренных температур, не превышающий 1 °С. В основном этот разброс объясняется условиями натурного эксперимента, когда быстрые изменения температуры наружного воздуха совместно с тепловой инерцией ограждающей конструкции могут приводить к запаздыванию изменения температуры на внутренней поверхности. Чтобы снизить влияние колебаний температуры наружного воздуха, проводится регрессионный анализ натурных данных. Облако точек было представлено в виде графика уравнения регрессии

у = 0,115* + 17,88. (4.1)

Коэффициент детерминации, позволяющий определить качество уравнения регрессии, равен Д2 = 0,8, что можно объяснить влиянием тепловой инерции на колебания температуры внутренней поверхности.

Полученные данные приведены на Рисунке 4.25. Маркерами обозначены экспериментальные значения, линиями - расчетные значения. Красным цветом обозначены данные, полученные аналитически, а зеленым - численно. Оранжевым цветом показана линия уравнения регрессии.

Рисунок 4.25 - Верификация аналитического решения натурными и

численными данными

Из рисунка видно, что расчет минимальных температур, выполненный по формуле (2.26) качественно совпадает с результатами натурных исследований. Различие между этими данными примерно постоянно и составляет около 0,22 ± 0,02оС.

4.4. Выводы к главе 4

1. В климатической камере НИИСФ РААСН испытан балконный узел в натуральную величину, смонтированный в соответствии со строительной практикой. Испытания проводились при четырех разных температурах холодного воздуха.

2. По результатам эксперимента фиксировалась температура на внутренней поверхности, и проводилось сравнение с численными и аналитическими методами расчета. Результаты показали хорошее совпадение расчетов с измерениями. В месте достижения

минимальной температуры на внутренней поверхности узла различие аналитических, численных расчетов и экспериментальных данных не превышают 0,35 °С. Наибольшее различие между расчетами и измерениями достигается при максимальном температурном перепаде. В целом, изменение температуры в холодном отсеке слабо влияет на различие между измеренными расчетными температурами.

3. В натурных условиях был испытан балконный узел между 11 и 12 этажами жилого здания в г. Москва. Испытания проводились в течение 26 дней в зимний период.

4. Минимальная температура внутренней поверхности по результатам натурных исследований отличается от расчётной на 0,22 ± 0,02°.

5. ГОСТ 26254-84 Здания и сооружения. Метод определения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций [30] и ГОСТ Р 54852-2011 Здания и сооружения. Метод тепловизионного контроля качества теплоизоляции ограждающих конструкций [31] не дают возможности провести адекватные измерения удельных потерь теплоты через произвольный узел. Необходима разработка методик лабораторного и натурного измерения удельных потерь теплоты через линейные и точечные неоднородности и введение соответствующих стандартов с целью упорядочить проведения обследований зданий.

ГЛАВА 5. Алгоритмы применения разработанных методик и примеры их реализации для конкретных задач

5.1. Алгоритм расчета удельных потерь теплоты через балконный

узел

Балконный узел разделяется на три части (Рисунок 3.1). Последовательность действий для расчета удельных потерь теплоты через балконный узел:

1. Вычисляются вспомогательные величины по формулам (5.1) - (5.2): эффективное сопротивление теплообмену на балконной плите

1 1 йпп

Дн = —+ (5.1)

ан 3 —пп

эффективное сопротивление теплообмену на плите перекрытия

1 1 ^пп

Яв = - + 3-тпп; (5.2)

ав 3 —пп

2. Вычисляется условное сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции

0 _ 1 ^шт.сл. ^ут ^осн 1 ГС пЛ

м0 — —+ ---+ -—+ ---1--; (5.3)

ав -шт.сл. -ут -осн ан

3. Вычисляется термическое сопротивление части 1 балконного узла

Дба1 — N

Я

н

2^пп—пп

(5.4)

4. Вычисляется термическое сопротивление части 2 балконного узла по формуле (5.5). Теплопроводность эффективного слоя -перф следует принимать по Таблице 3.1.

Дба2 = л-рф~; (5.5)

5. Вычисляется термическое сопротивление части 3 балконного узла

ДбаЗ = п-I-7Г> (5.6)

Ка + хИь

где термическое сопротивление Яа вычисляется по формуле

Да =

N

(5.7)

2^ппЛпп Лпп^пп

термическое сопротивление Яь вычисляется по формуле

1 ( 1,8 • й0сн\ 1 Дь = ^ 7 1п (1 + , 1 + ы , V (5.8)