Теплоперенос в теплонапряженных элементах многослойных ограждающих конструкций тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Иванова Елена Александровна

• Иванова Елена Александровна
• кандидат наук
• 2023

Оглавление диссертации кандидат наук Иванова Елена Александровна

Введение

1 Состояние вопроса в области исследования процессов теплопереноса в ограждающих конструкциях в зоне влияния теплонапряженных элементов

1.1 Обзор теплонапряженных элементов, присутствующих в ограждающих конструкциях малоэтажных зданий

1.2 Анализ существующих методов устранения негативного влияния теплонапряженных элементов на состояние ограждающих конструкций

1.3 Анализ инженерных методов расчета приведенного сопротивления теплопередаче наружных стен зданий, содержащих теплонапряженные элементы

1.4 Современное состояние проблемы моделирования и методы расчета процессов теплопереноса в многослойных ограждающих конструкциях

1.4.1 Аналитические методы решения задач теплопроводности

1.4.2 Численные методы решения задач теплопроводности

1.5 Пакеты прикладных программ для решения задач теплопереноса

1.6 Тепловые потоки в процессе теплообмена

1.6.1 Теплопроводность

1.6.2 Конвективный теплообмен у поверхности стен

1.6.3 Лучистый теплообмен у поверхности стен

1.6.4 Теплопередача через плоскую стенку в случае сложного теплообмена

1.7 Выводы по первой главе

2 Экспериментальное исследование процесса теплопереноса через наружные ограждения с теплонапряженными элементами

2.1 Экспериментальные исследования теплозащитных свойств и температурных полей в наружных ограждениях

2.2 Экспериментальные методы определения приведенного сопротивления теплопередаче фрагментов ограждающих конструкций

2.3 Порядок проведения эксперимента и результаты исследования

2.3.1 Эксперимент №

2.3.2 Эксперимент №

2.3.3 Эксперимент №

2.4 Сравнение результатов численного расчета с результатами физического эксперимента

2.5 Определение тепловых потоков через угловой фрагмент ограждения

2.6 Анализ экспериментальных данных по теплоотдаче свободной конвекцией на внутренней поверхности стены

2.6.1 Определение ак по критериальным уравнениям

2.6.2 Определение ак по экспериментальным данным

2.7 Выводы по второй главе

3 Моделирование и расчет процессов теплопереноса в многослойных ограждающих конструкциях с наличием теплонапряженных элементов

3.1 Физико-математическая постановка задачи

3.2 Проведение теплового анализа в пакете АКБУБ

3.3 Результаты численного решения задачи теплопереноса наружного ограждения в области угла

3.4 Исследование влияния угла разворота на теплоперенос в ограждающей конструкции в области наружного и внутреннего угла

3.5 Исследование теплового состояния углового фрагмента наружной стены

в области балконной плиты

3.6 Исследование теплоустойчивости в угловом фрагменте наружной стены

3.7 Выводы по третьей главе

4 Моделирование процессов по устранению негативного влияния тепло-напряженных элементов на теплоперенос в ограждающих конструкциях

4.1 Исследование влияния термоизоляции на тепловое состояние тепло-напряженных элементов

4.2 Исследование влияния коннекторов на тепловое состояние наружной стены

4.3 Исследование влияния нагревательного кабеля на тепловое состояние

ограждающих конструкций

4.4 Исследование теплового состояния углового фрагмента наружного ограждения с утепляющими вставками, применением линейных стоков и источника теплоты

4.5 Выводы по четвертой главе

Заключение

Список условных обозначений, символов, сокращений

Список использованной литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Теплоперенос в теплонапряженных элементах многослойных ограждающих конструкций»

Введение

Актуальность темы исследования. Для повышения уровня энергоэффективности зданий в последнее время рядом стран проводится корректировка нормативной документации с целью повышения уровня тепловой защиты. Повышение энергоэффективности зданий является важной задачей, так как в России теплопотребление на коммунальные нужды составляет более 50% от общего потребления [1, 2].

«Энергетика и энергосбережение» относится к одному из приоритетных направлений развития науки, технологий и техники Российской федерации, а также входит в перечень критических технологий, к которым относятся «Технологии создания энергосберегающих систем транспортировки, распределения и потребления тепла и электроэнергии».

Президент Российской Федерации и Правительство России уделяют большое внимание развитию энергетической отрасли. Нормы в западных странах непрерывно ужесточались, а в России оставались неизменными вплоть до 1994 г. На сегодняшний день основным законом, регулирующим основные направления энергетической политики России, является Федеральный закон об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности № 261-ФЗ от 23.11.2009 года.

Увеличению объемов строительства доступного малоэтажного жилья Правительством нашей страны уделяется большое внимание. Наиболее эффективный путь экономии ТЭР в капитальном строительстве - повышение теплотехнических свойств строительных конструкций (прежде всего стен и окон) зданий, а также снижение теплопотерь через ограждающие конструкции и в системе вентиляции. Жилые здания должны рассматриваться как «система», в которой установлены четкие взаимосвязи между объемно-планировочным решением, системой отопления и вентиляции и тепловой защитой.

В современном строительстве используются различные варианты энергоэффективных ограждающих конструкций. В этом случае появляются проблемы связанные с теплотехнической неоднородностью наружных ограждений

из-за так называемых «мостиков холода» или по-другому теплонапряженных элементов (ТНЭ). ТНЭ ухудшают теплофизические характеристики ограждающих конструкций и способствуют повышению тепловых потерь.

При проектировании малоэтажного строительства необходимо учитывать все теплотехнические неоднородности конструкции, так как в таких домах влияние ТНЭ проявляется более значимо, чем в многоэтажных домах.

Степень разработанности темы исследования. Исследованиями процессов теплопереноса занимались как отечественные, так и зарубежные ученые: К.Ф. Фокин, В.Н. Богословский, В.М. Ильинский, М.А. Михеев, С.С. Кутателадзе, Б.С. Петухов, В.П. Исаченко, А.В. Лыков, А.Н. Сканави, А.А. Гухман, А.И. Леонтьев, В.Г. Гагарин, Н.А. Цветков, В.И. Терехов, М.И. Низовцев, И.Ф. Ливчак, Ю.А. Табунщиков, Ю.Я. Кувшинов, Б.М. Хрусталев, А.С. Горшков, В.В. Козлов, Н.П. Умнякова, О.А. Туснина, С.В. Корниенко, О.Д. Самарин, С.Г. Шеина, Э.Р. Эккерт, Р.М. Дрейк, B. Cash, K. Martina, M. Svitak, R. Garay, J. Mourao, M. Brigger, A. Hamburg, B. Hazim, T. Tzoulis, V. Stijn, F. Déqué и др.

К настоящему времени известно много различных работ по изучению процессов теплопереноса, протекающих в наружных ограждающих конструкциях. Рассмотрены стационарные и нестационарные процессы, исследованы двух - и трехмерные пространственные модели. Расчеты проводились аналитическими и численными методами. Но, несмотря на это, изучение теплового состояния наружных ограждений не утрачивает своей актуальности, так как современное строительство не стоит на месте. Постоянно появляются новые строительные материалы, усовершенствованные технологии, что приводит к строительству зданий различной сложной конфигурации, и как следствие, к увеличению количества теплопроводных включений в наружных ограждениях.

Следовательно, жизненно важной темой является изучение процессов теплопереноса в теплонапряженных элементах многослойных ограждающих конструкций и разработка методов устранения их негативного влияния.

Цель работы - исследование теплового состояния системы разнородных теплонапряженных элементов с различными теплофизическими характеристиками применительно к наружным ограждающим конструкциям зданий, с обеспечением исключения конденсации водяного пара.

Задачи исследования:

1. Провести экспериментальные исследования процессов теплопереноса в угловом фрагменте кирпичной стены.

2. Установить на основе полученных экспериментальных данных закономерности нестационарного двухмерного теплопереноса в угловом кирпичном фрагменте наружного ограждения.

3. Используя математические модели двух- и трехмерного теплопереноса численно оценить влияние теплонапряженных элементов на поведение температурных полей и полей плотности теплового потока в рассматриваемых наружных ограждениях.

4. Исследовать методы по устранению снижения температуры на внутренних поверхностях наружных ограждений с наличием теплопроводных включений.

Научная новизна исследования заключается в следующем:

1. Получены и систематизированы новые результаты экспериментального исследования теплового состояния ограждающей конструкции из кирпича, показывающие характер распределения полей температур и плотностей теплового потока в угловом фрагменте наружной стены.

2. Впервые на основе экспериментального исследования установлен характер изменения коэффициента теплоотдачи на внутренней поверхности кирпичной стены в области наружного угла, и показано, что коэффициент теплоотдачи в углу уменьшается на 30-35%, по сравнению с нормативным значением.

3. Впервые установлены закономерности нестационарного двумерного теплопереноса в угловом фрагменте наиболее распространенной наружной

ограждающей конструкции здания из кирпича и проведено исследование теплоустойчивости этого фрагмента стены.

4. Исследовано влияния угла разворота на теплоперенос в ограждающей конструкции в области наружного и внутреннего угла.

5. Впервые на основе численного решения исследованы пространственные элементы наружных ограждений и установлено совместное влияние ТНЭ на тепловое состояние конструкции и предложены способы по устранению их негативного воздействия.

6. В строительных конструкциях, использующих коннекторы, выявлено влияние материала коннектора на тепловое состояние наружного ограждения. Установлено, что в экстремальных условиях теплообмена на наружной поверхности температура металлического коннектора на 5,42 °С меньше, чем стеклопластикового, а зона влияния металлического коннектора на температурное поле составляет 0,1 м.

7. Впервые показано, что для конструкций с пониженным термическим сопротивлением негативное влияние от ТНЭ можно устранить с помощью нагревательного кабеля, к примеру, при применении кабеля мощность 10 Вт/м, температура внутренней поверхности кирпичной стены в сопряжении с плитой перекрытия и балконной плитой увеличивается на 7 °С.

Новизна технических решений, представленных в диссертационной работе, защищена патентом РФ на полезную модель.

Теоретическая и практическая значимость исследования.

Теоретическая значимость диссертации заключается в том, что данные, полученные методом экспериментального исследования теплового состояния фрагмента ограждающей конструкции в области наружного угла позволили внести определенный вклад в вопрос изучения влияние ТНЭ на тепловое состояние ограждений и позволили провести сравнение результатов полученных экспериментальным и расчетным путем. В ходе численных расчетов получены новые знания в изучении двух- и трехмерного теплопереноса и влияние теплофизических, геометрических характеристик материалов конструкций,

утепляющих вставок и коннекторов на теплозащитные свойства наружных ограждений. Результаты кандидатской диссертации будут внедрены в учебный процесс при проведении теплотехнических расчетов ограждающих конструкций.

Практическая значимость диссертационной работы заключается в том, что результаты теоретических и экспериментальных исследований могут быть использованы для уточнения проектных расчетов с целью минимизировать влияние различных теплопроводных включений, присутствующих во всех наружных ограждениях, и приводящих к увеличению тепловых потерь и как следствие к понижению уровня тепловой защиты здания.

Объект исследования. Наружные ограждения жилых зданий, содержащие в своей конструкции теплонапряженные элементы.

Предмет исследования. Процессы теплопереноса, происходящие в наружных ограждениях, включающих в свою конструкцию различные теплонапряженные элементы.

Методология и методы исследования. Теоретические исследования, проводимые в диссертационной работе, выполнены с использованием метода математического моделирования с учетом результатов исследовательских работ российских и зарубежных авторов в области теплопереноса в наружных ограждающих конструкциях. Численные расчеты и натурные эксперименты выполнены в соответствии с общепринятыми нормативными документами и разработанными методиками для проведения исследований.

На защиту выносятся:

- результаты экспериментальных и численных исследований теплового состояния ограждающей конструкции здания в угловом фрагменте кирпичной наружной стены;

- результаты расчета двух- и трехмерного теплопереноса в современных неоднородных ограждающих конструкциях и влияние теплофизических и геометрических характеристик элементов конструкций на теплозащитные свойства;

- результаты численного исследования применяемых способов устранения негативного влияния теплонапряженных элементов на тепловое состояние рассматриваемых конструкций.

Личное участие автора в получении результатов, изложенных в диссертации. Постановка цели и задач исследования, проведение экспериментальных и численных исследований выполнены автором диссертации совместно с научным руководителем. Расчеты, обработка полученных данных, построение графиков, подготовка публикаций и представление их на конференциях выполнены автором самостоятельно. Обсуждение полученных результатов проводилось соискателем совместно с научным руководителем.

Степень достоверности результатов исследования. Достоверность результатов исследовательской работы обеспечена:

- проведением экспериментальных исследований, основанных на применении современных методов, приборов измерения и современных способов обработки результатов исследований;

- адекватностью применяемых математических моделей относительно реальных физических процессов и подтверждена результатами тестовых расчетов на сеточную сходимость и сравнением численных решений с экспериментальными данными и аналитическими решениями, а также сравнение результатов с работами других авторов.

Апробация результатов исследования. Материалы диссертационной работы были доложены, обсуждены и получили положительную оценку на Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы строительства, экологии и энергосбережения в условиях Западной Сибири» (Тюмень, 2006), XIX международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 2013), VI Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные вопросы строительства» (Новосибирск, 2013), научно-технической конференции «Инновационные технологии в науке и образовании - III» (Улан-Удэ, 2013), IV Всероссийской научно-практической конференции с международным участием

«Инвестиции, строительство и недвижимость как материальный базис модернизации и инновационного развития экономики» (Томск, 2014),

I международной научной конференции студентов и молодых ученых «Молодежь, наука, технологии: новые идеи и перспективы» (Томск, 2014), 5-ой всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Инвестиции, строительство и недвижимость как материальный базис модернизации и инновационного развития экономики» (Томск, 2015),

II Всероссийской научной конференции с международным участием «Энерго- и ресурсоэффективность малоэтажных жилых зданий» (Новосибирск, 2015), IX Всероссийской конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики» (Томск, 2016), III международной научной конференции студентов и молодых ученых «Молодежь, наука, технологии: новые идеи и перспективы» (Томск, 2016), VII Международной научно-практической конференции «Инвестиции, строительство, недвижимость как материальный базис модернизации и инновационного развития экономики» Россия (Томск, 2017), межвузовской научно-практической конференции с международным участием «ЖКХ: Вектор стратегического развития на современном этапе» (Новосибирск, 2017), II Международной научной конференции ASEDU-II 2021: «Перспективы развития науки, инженерии, естественно-научного, технического и цифрового образования» (Красноярск, 2021).

Область исследования соответствует требованиям паспорта научной специальности 1.3.14 «Теплофизика и теоретическая теплотехника», а именно: п.9 «Разработка научных основ и создание методов интенсификации процессов тепло- и массообмена и тепловой защиты».

Публикации по теме диссертации. По теме диссертации опубликовано 22 работы, в том числе 2 статьи в журналах, включенных в Перечень рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук, 2 статьи в сборниках материалов конференций, представленных в изданиях, входящих в Scopus, 5 статей в прочем

научном журнале, 1 статья в сборнике научных трудов, 11 публикаций в сборниках материалов международный и всероссийских (в том числе с международным участием) конференций; получен 1 патент Российской Федерации.

Структура и объем работы. Диссертация объемом 211 страниц состоит из введения, четырех глав, заключения, списка условных обозначений, символов, сокращений, списка использованной литературы из 164 наименований. Работа содержит 19 таблиц и 114 рисунков.

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, ее научная и практическая значимость, определены цель, задачи исследования, и положения, выносимые на защиту, излагается краткое содержание работы.

В первой главе проведен обзор и анализ неоднородных наружных ограждений, включающих в свою конструкцию различные теплопроводные включения. Рассмотрены основные подходы к исследованию теплового состояния ограждающих конструкций с наличием ТНЭ и методы по уменьшению негативного влияния ТНЭ на состояние наружного ограждения.

Во второй главе проведено исследование тепловых потерь помещения через наружный угол ограждающей конструкции. Представлена методика и результаты экспериментального исследования теплового состояния фрагмента ограждающей конструкции в области наружного угла. Произведено сравнение результатов численного расчета двухмерного температурного поля и полей плотности теплового потока с результатами физического эксперимента с учетом зависимости коэффициента теплоотдачи от расстояния. Определены тепловые потоки через угловой фрагмент ограждения. По результатам проведенных исследований изучена теплоотдача свободной конвекцией на внутренней поверхности стены.

В третьей главе представлены результаты численного решения двухмерной задачи теплопереноса наружного ограждения в области угла. Исследовано влияние угла разворота на теплоперенос в ограждающей конструкции в области наружного и внутреннего угла. Также исследованы закономерности

пространственного теплопереноса в угловом фрагменте наружной стены в области балконной плиты. Для изучения теплоустойчивости в угловом фрагменте наружной стены проведено исследование нестационарного теплопереноса в зависимости от теплофизических и геометрических свойств и времени.

В четвертой главе рассмотрено моделирование процессов по устранению негативного влияния ТНЭ на пространственный теплоперенос в наружных ограждениях. Один из вариантов - это использование теплоизоляционного слоя в сопряжении плиты перекрытия, балконной плиты с наружной стеной. Влияние коннекторов на тепловое состояние наружной стены рассматривается на примере стены выполненной по технологии монолитного домостроения VELOX. Исследован теплоперенос в зависимости от теплофизических и геометрических характеристик материалов слоев и коннекторов. Проведено исследование влияния нагревательного кабеля на тепловое состояние ограждающих конструкций с помощью физико-математической модели пространственного теплопереноса в наружном ограждении с источником тепловыделения. Представлено исследование теплового состояния углового фрагмента наружного ограждения с утепляющими вставками.

С помощью математического моделирования проведена оценка влияния вертикальных и горизонтальных коннекторов на теплозащитные свойства керамзитобетонной стены и установлен характер изменения теплового состояния конструкции в зависимости от материала коннекторов.

В заключении приведены основные результаты и выводы диссертационного исследования.

1 Состояние вопроса в области исследования процессов теплопереноса в ограждающих конструкциях в зоне влияния теплонапряженных элементов

1.1 Обзор теплонапряженных элементов, присутствующих в ограждающих конструкциях малоэтажных зданий

В Государственной программе РФ «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности» отмечено, что Российская Федерация располагает одним из самых больших в мире технических потенциалов энергосбережения и повышения энергетической эффективности. Следовательно, основное требование при строительстве новых зданий и при реставрации старых -это применение новых энергоэффективных строительных материалов и технологий, позволяющее уменьшить потребление энергетических ресурсов.

Основные резервы энергоэффективности лежат в катастрофических тепловых потерях. Общие теплопотери состоят из теплопотерь через различные ограждающие конструкции здания [3] рис. 1.1.

Рисунок 1.1 - Тепловые потери через ограждающие конструкции здания

Существует большое количество различных энергоэффективных наружных ограждений позволяющих уменьшить тепловые потери помещений [4-10]. Но, существует проблема теплотехнической неоднородности. Это возникает из-за теплонапряженных элементов (ТНЭ) [11].

В зарубежной литературе теплонапряженные элементы называют тепловыми мостами, а в российской литературе - мостиками холода. Они выступают в роли обособленных элементов входящих в конструкции зданий в которых происходит усиленная теплопередача от более теплой стороны к более холодной [12-22].

ТНЭ в зависимости от природы их возникновения делят на материальные и геометрические [23].

Материальные, появляются там, где не оборудована теплотехническая однородность конструкции. То есть в конструкции используются материалы с разными теплотехническими характеристиками [24, 25]. Известно, что швы кладки в наружных ограждающих конструкциях являются теплопроводными включениями, которые не учитываются при определении приведенного термического сопротивления теплопередачи [25].

При этом из соображений теплотехнической однородности растворы, обеспечивающие монолитность ограждающей конструкции из штучных кладочных изделий, должны обладать средней плотностью и коэффициентом теплопроводности, не превышающими указанные характеристики стенового материала [26].

Одним из тепловых мостов является сопряжение подвального перекрытия с наружной стеной. При этом на цокольном перекрытии образуется ТНЭ вызывающий снижение температуры поверхности пола первого этажа [27].

Температурные поля конструкции стыка фундаментная плита/стена подвала рассмотрены в работе [28]. На основе полученных значений распределения температур на поверхности рассматриваемых конструкций стыка был произведен расчет длины мостиков холода.

В стене с теплоизоляционным фасадом дюбель с металлическим распорным элементом является типичным ТНЭ [29, 30]. Влияние ТНЭ на теплофизические свойства конструкции зависит от многих факторов: количество дюбелей на квадратный метр, материала и диаметра распорного элемента, материала стены [31]. Причем, при креплении плиты утеплителя дюбелями со стальными

распорными элементами толщина выбранного утеплителя, необходимая для обеспечения нормируемого сопротивления теплопередаче относительно системы без теплопроводных включений-дюбелей увеличивается на 23,5% [32].

Нарушение целостности ограждения в процессе эксплуатации также может спровоцировать неоднородность конструкции. Некоторые разновидности ТНЭ показаны на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 - ТНЭ обусловленные конструкцией и материалом

К материальным ТНЭ можно отнести оконные и дверные проемы, бетонные колоны и перекрытия, межпанельные швы, коннекторы и т.д.

Геометрические ТНЭ появляются в результате разнообразной аркитектурной планировки зданий. Теплопередача в таких ограждениях описывается двух- или трехмерным тепловым потоком. Следовательно, через такую конструкцию теряется больше тепла [33].

Наружный угол здания относится к геометрическим ТНЭ. Этот элемент понижает термическое сопротивление конструкции и температуру на внутренней поверхности, которая будет наблюдаться непосредственно в углу, т.е. по линии стыка стен. Это приводит к ухудшению микроклимата в помещении и как

следствие к появлению наиболее опасных участков с точки зрения возможности конденсации водяных паров [34, 35].

Учет наличия конструктивного или отделочного слоя с относительно высокой теплопроводностью на внутренней стороне угла приводит к некоторому увеличению температуры на внутренней поверхности наружной стены [36]. Примеры геометрических ТНЭ показаны на рисунке 1.3.

Аттик Выступающий эркер

Рисунок 1.3 - Геометрические ТНЭ

Геометрические ТНЭ проявляются в наружных углах зданий, в балконах, в окнах и дверях и т.д.

При геометрических ТНЭ изменение теплового состояния конструкции хорошо прослеживается на внутренней поверхности ограждения [37, 38]. Тепловые мосты можно обнаружить с помощью тепловизора [39-41]. Исследование [42] показало, что в зданиях с массивной конструкцией, результаты тепловизионных исследований точнее, чем в зданиях с применением утепляющих слоев в стенах.

Геометрические и материальные мосты часто наблюдаются вместе. На рисунке 1.4 приведены термографические съемки ТНЭ, встречающиеся в ограждающих конструкциях.

Часто в стенах внутреннее крепление слоев друг к другу выполняется с помощью регулярно уложенных металлических связей [43]. Существенное влияние на тепловое состояние ограждающей конструкции оказывают сквозные металлические теплопроводные включения [44] представленные на рисунке 1.4а, сопряжение наружной стены и плиты перекрытия [45] рисунок 1.4в и сопряжение фундамента с перекрытием и наружной стеной [46] рисунок 1.4г.

а) оконная балка и теплопроводные включения в виде металлических стержней при ^ = минус 16 °С

б) угол, образованный сопряжением наружной и внутренней стены при 1:в=22 °С

в) угол, образованный сопряжением наружных стен при 1:в=19 °С

Рисунок 1.4, а-в - Тепловизионное обследование ТНЭ

г) сопряжение фундамента с перекрытием и наружной стеной при ^ = минус 16 °С Рисунок 1.4, г - Тепловизионное обследование ТНЭ

Теплотехнические требования, предъявляемые к ограждающим конструкциям зданий, регламентируются СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий».

ТНЭ приводят к уменьшению температуры на внутренней поверхности в области, примыкающей к теплотехнической неоднородности. В результате этого:

- происходит повышение тепловых потерь здания [16, 17, 47];

- повышается риск возникновения конденсата и плесени, что ухудшает параметры микроклимата помещений [17, 48];

- происходит разрушение строительных конструкций [34].

Одним из эффективных путей экономии энергетических ресурсов и нормализации параметров микроклимата в помещении является повышение теплотехнических свойств строительных конструкций, а также снижение теплопотерь через ограждающие конструкции.

1.2 Анализ существующих методов устранения негативного влияния теплонапряженных элементов на состояние ограждающих конструкций

ТНЭ присутствуют во всех зданиях без исключений. В области ТНЭ теплозащитные характеристики наружных ограждений уменьшаются от 3 до 47% в зависимости от вида конструкции [49]. Современные технологии позволяют минимизировать влияние ТНЭ на ограждающие конструкции [50, 51].

Существуют значительные и незначительные ТНЭ. К незначительным ТНЭ относятся оконные откосы [52], примыкание внутренних стен. Наибольшие теплопотери происходят в сопряжении фундамента, наружной стены и перекрытия.

Существует большое количество методов позволяющих снизить влияние ТНЭ на ограждающие конструкции зданий. Рассмотрим методы возможные для применения в строительстве зданий.

Автором в работе [34] рассмотрено влияние скругления наружного угла здания на минимальную температуру на внутренней поверхности наружной стены в угловой зоне и выявлен необходимый радиус закругления для обеспечения санитарно-гигиенических требований.

Нарушение теплоизоляции в наружных ограждениях приводит к возникновению утечек тепла. При утеплении межпанельных швов можно минимизировать влияние ТНЭ [53]. Конструкция системы герметезации показана на рисунке 1.4.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Иванова Елена Александровна, 2023 год

// Л

.11....... \

/

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Расстояние, м

а

5 со

^ д 80,0 -§ 8 70,0

я О

£ с 60,0

р 50,0

1,0 1,5 2,0 Расстояние, м

б

1 - сплошная ПП; 2 - сплошная 1111 + балконная плита; 3 - точка росы Рисунок 3.24 - Распределение температурных полей (а) и полей плотности теплового потока (б) в стыке наружной стены со сплошной плитой перекрытия

Анализируя график на рисунке 3.24 также видим, что падение температуры происходит в углу конструкции до 10,06 °С - в случае 1; до 9,58 °С - в случае 2, что также является недопустимым из-за опасности возникновения конденсата. На глади стены температура стабилизируется на значении 18,05 °С - в случае 1; до 17,42 °С - в случае 2. Таким образом, можно сделать вывод, что влияние балконной плиты также присутствует, но незначительно.

Влияние толщины стены на температуру и распределение плотности теплового потока по внутренней поверхности стены показано на рисунке 3.25. Рассмотрены 2 конструкции стены толщиной 800 мм и 670 мм.

и

18,0 16,0

Я 14,0 & '

Й 12,0 с.

I 10,0

и Е-н

8,0 6,0

/ /

1 7 2. У -3 / ^ 17

/

150,0

о

и О 130,0

со

Ч С Е 110,0

и н са

_г л 90,0

н и

с I - о 70,0

ь с

е; = 50,0

30,0

\\ 4_ Г

/

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 Расстояние, м

а

2,5 3,0

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Расстояние, м

б

1 - пустотная ПП 5 = 670 мм (поперек пустот); 2 - пустотная ПП 5 = 670 мм (вдоль пустот); 3 - пустотная ПП 5 =800 мм (поперек пустот); 4 - пустотная ПП 5 =800 мм (вдоль пустот); 5 - точка росы Рисунок 3.25 - Распределение температурных полей (а) и полей плотности теплового потока (б) в стыке наружной стены с пустотной плитой перекрытия

По результатам построенных графиков на рисунке 3.25 можно сделать вывод, что с уменьшением толщины стены уменьшается и температура в углу конструкции с 8,71 °С до 6,71 °С. Температура на глади стены при уменьшении толщины стены также уменьшается с 17,6 °С до 16,0 °С при рассмотрении стыка наружной стены и плиты перекрытия поперек пустот, и с 17,15 °С до 15,7 °С при рассмотрении стыка наружной стены и плиты перекрытия вдоль пустот. Незначительные скачки температуры происходят (кривая 1, 3) из-за пустот плиты перекрытия, при рассмотрении изменения температуры вдоль стыка стены с плитой перекрытия вдоль пустот (кривая 2, 4), таких скачков не наблюдается.

Значения плотности теплового потока в углу конструкции при уменьшении

2 2

толщины стены с 800 мм до 670 мм увеличивается с 124,3 Вт/ м до 141,76 Вт/м .

На глади стены плотность теплового потока стабилизируется на значении 60,9 Вт/

2 2 м2 при толщине стены 670 мм и 46,9 Вт/ м2 при толщине стены 800 мм при

рассмотрении стыка наружной стены и плиты перекрытия поперек пустот, и 63,26

2 2

Вт/м и 51,03 Вт/м , соответственно при рассмотрении стыка наружной стены и плиты перекрытия вдоль пустот.

В результате, можно сделать вывод, что изменение толщины стены оказывает значительное влияние на значения температуры и плотности теплового потока на внутренней поверхности наружного угла.

Заменим балконную плиту и плиту перекрытия на сквозную монолитную плиту. Изменение значений температуры и значений плотности теплового потока рассмотрим на рисунке 3.26.

20,0

О 18,0

О

й 16,0 с*

Й 14,0

Рн '

(и

§ 12,0

и Н

10,0 8,0

1

2 /

2 /

/

1 и

о

о гч

§ ^

с н

£ И

»о я" н ьг о о о н ж о н с о

ч =

130,0 120,0 110,0 100,0 90,0 80,0 70,0 60,0 50,0 40,0

2

0,0 0,5

1,0 1,5 2,0 Расстояние, м

а

2,5 3,0

0,0 0,5

1,0 1,5 2,0 Расстояние,м

б

2,5 3,0

1 - сплошная ПП; 2 - монолитная плита; 3 - точка росы Рисунок 3.26 - Распределение температурных полей (а) и полей плотности теплового потока (б) в стыке наружной стены со сплошной плитой перекрытия и

сквозной монолитной плитой По результатам расчета видно, что замена балконной плиты на сквозную

монолитную приводит к уменьшению температуры стены в углу конструкции с

9,6 °С до 8,3 °С, а на глади стены с 17,4 °С до 15,9 °С. Значение плотности

теплового потока увеличивается в углу конструкции с 116,76 Вт/м до 128,03

9 9 9

Вт/м2, а на глади стены с 48,55 Вт/м2 до 62,08 Вт/м2.

Влияние сопряжения наружной стены с балконной плитой и сквозной монолитной плитой на значения температурных полей и значения плотности

тепловых потоков внутри конструкции стены на уровне межэтажнои плиты

перекрытия рассмотрено на рисунке 3.27.

20,0

и

10,0 0,0

га

с.

Й -10,0 а

<о

§ -20,0 и

Н -30,0 -40,0

1

2 1

V у

140,0 120,0

о

а „

5 ш юо,о

ьч

Л св

О о 80,0

0 н '

1 о ь с о

ч =

60,0 40,0

Л

\

\ 1 \ 2 N

V! 1

\

V

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Расстояние, м

а

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Расстояние, м

б

1 - сплошная ПП; 2 - монолитная плита Рисунок 3.27 - Распределение температурных полеИ (а) и полеИ плотности

теплового потока (б) в разрезе стены

Анализ графика на рисунке 3.27, а показывает, что замена балконной плиты перекрытия на сквозную монолитную плиту приводит к уменьшению температуры

на внутренней поверхности стены. Температура уменьшается с 18,5 °С до 15,9 °С, а

2 2

плотность теплового потока увеличивается с 48,55 Вт/м до 62,08 Вт/м .

Как изменяется значение температуры и плотности теплового потока внутри конструкции наружной стены при увеличении толщины стены от 670 до 800 мм показано на рисунке 3.28.

20,0 -| О 10,0

й

Й -10,0 &

о

с _->п п

и Н

-30,0 -40,0

2

-и

\ 4

140,0

о —

о

о ~

¡3 | 120,0 1) т

Л ее 100,0 I- И

О о

о н

X о

I- с

| 60,0 40,0

80,0 -

л. -' "

Л/

\ 4

- -ч 1 1

-

0,0 0,2

0,4 0,6

а

0,8 1,0

0,0 0,2

0,4 0,6 б

0,8 1,0

1 - стена 5 = 670 мм (на глади); 2 - стена 5 = 800 мм (на глади); 3 - стена 5 = 670 мм (по ПП); 4 - стена 5 = 800 мм (по ПП) Рисунок 3.28 - Распределение температурных полей (а) и полей плотности

теплового потока (б) в разрезе стены

Рисунок 3.28 иллюстрирует распределение температуры и плотности теплового потока в разрезе наружной стены. Анализ распределения температуры показывает что температура на глади стены составляет 17,0 °С при толщине стены 670 мм и 17,9 °С при толщине стены 800 мм. Это говорит о том, что уменьшение толщины стены на 130 мм приводит к уменьшению температуры на 0,9 °С. Температура стены в области плиты перекрытия составляет 16,1 °С при толщине стены 670 мм и 17,0 °С при толщине стены 800 мм.

Температура стены вдали от плиты перекрытия в толще стены практически не отличается, это показывают кривая 1 и 2 находя друг на друга.

На графике рисунка 3.28, б видно, что при отсутствии теплопроводных включений значения плотности теплового потока поперек конструкции стены остаются практически неизменными и составляют 52,2 Вт/м2 при толщине стены 670 мм и 44,7 Вт/м2 при толщине стены 800 мм. При добавлении в конструкцию стены пустотной плиты перекрытия и балконной плиты изменение значений плотности теплового потока приобретает скачкообразный характер.

Рассмотрим изменение температурного поля и плотности теплового потока вдоль внутренней поверхности плиты перекрытия для варианта рассматриваемых конструкций № 1, 2 (рисунок 3.29).

По графикам на рисунке 3.29, можно сделать вывод, что в районе угла наблюдается значительное искажение температурного профиля, а по мере удаления от угла значение температур стабилизируется. Также рисунок еще раз подтверждает ранее сделанные выводы - в углу сопряжения наружных стен и плиты перекрытия температура резко падает. Но следует отметить, что в случае с конструкцией варианта №2, у которого термическое сопротивление выше из-за включенного в конструкцию утепляющего слоя, график температуры (кривая 5) изменяется не так значительно.

и -

св

а

>1 Н са

а г»

Н

22,0 20,0 18,0 16,0 14,0 12,0 10,0 8,0

-| 5

/ /

\ 3 \ 2 \

/

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Расстояние, м

а

3,0

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Расстояние, м

б

1 - пустотная ПП (вариант №1); 2 - пустотная с утеплителем ПП (вариант №1);

3 - сплошная ПП (вариант №1); 4 - сплошная с утеплителем ПП (вариант №1);

5 - сплошная ПП (вариант №2) Рисунок 3.29 - Распределение температурных полей (а) и полей плотности теплового потока (б) по внутренней поверхности плиты перекрытия

К примеру, рассмотрим изменение температуры в области угла в случае пустотной плиты конструкции №1(кривая 1) и сплошной плиты конструкции №2 (кривая 5). Температура увеличивается в первом случае с 8,71°С до 17,65 °С, а во втором с 18,23 °С до 20,54 °С. То есть при добавлении утепляющего слоя наблюдается более высокая температура в области угла и соответственно меньшее значение плотности теплового потока 113,73 Вт/м2 у кривой 1 и 35,79

л

Вт/м у кривой 5. Сравнивая кривые видно, что увеличение термического сопротивления ограждающей конструкции увеличивает температуру, как в углу, так и на глади стены.

3.6 Исследование теплоустойчивости в угловом фрагменте наружной стены

При исследовании теплопереноса многослойных наружных ограждений часто применяют усредненные величины за определенный интервал времени [84], которые характеризуют климатические условия региона. Это является значительным допущением, так как применяемые в строительстве наружные ограждения подвержены изменяющимся факторам со стороны внешней среды и

следовательно процессы теплообмена, возникающие в конструкциях следует считать нестационарными. Если не учитывать нестационарность процессов теплообмена, то это приведет к неточностям в определении тепловых характеристик и к повышению требуемого сопротивления теплопередачи. Следовательно, применяемые математические модели должны быть нестационарными. Кроме того, они должны быть неодномерными и нелинейными. Тогда значительно усложняется математическая модель, и численные методы являются единственным способом их решения.

Очень важной проблемой в этом случае будет исследование воздействия наружного угла на процесс теплопереноса в данной конструкции.

Колебания температуры наружного воздуха принуждают проводить исследования зданий на теплоустойчивость. Под теплоустойчивостью понимают свойство наружного ограждения сохранять относительное постоянство температуры на внутренней поверхности помещения при возможных циклических изменениях температуры наружного воздуха и как следствие возникающего колебания потока тепла, проходящего через конструкцию [72]. Теория теплоустойчивости многослойных однородных наружных ограждений в настоящее время достаточно хорошо разработана [71, 72].

При математической постановке задачи считаются заданными геометрические размеры фрагментов ограждающей конструкции и их теплофизические характеристики (ТФХ). В соответствии с действующими нормативными документами задаются температура внутреннего воздуха ^ = 23

л

°С, коэффициенты теплоотдачи на наружной ан = 23 Вт/(м-°С) и внутренней поверхностях ав = 8,7 Вт/(м -°С).

Решаем задачу стационарного теплообмена при нижеприведенном допущении:

- теплопереносом в направлении оси z пренебрегаем.

Следовательно математическая постановка задачи примет следующий вид:

У Л дг дх

\ д.л

дх

д

л--

ду

\ ДЛ

. У" ду,

+xqV> (3.16)

Для численного решения математической модели (3.2) - (3.5) применялся метод конечных элементов.

Для изучения теплоустойчивости углового фрагмента наружного ограждения определяем температуру наружного воздуха по циклическому закону с учетом сдвига колебаний по фазе

^нцикл ^нср+ I т

1 м

I (т - "))

(3.17)

где £нср - средняя температура наружного воздуха за период Т (для января - минус 18,1 °С); А/н - амплитуда колебаний (8,8 °С); Тц - период (24 часа); т - время (в часах). При этом максимальное значение температуры отвечает времени 15.00, минимум - 03.00.

Численное исследование теплового состояния углового фрагмента наружной стены проведено для конструкций, представленной на рисунке 3.30, которая состоит из керамического кирпича на цементно-песчаном растворе толщиной 0,77 м и штукатурки из ЦПР толщиной 0,03 м.

770

30

Рисунок 3.30 - Геометрия конструкций

Теплофизические характеристики материалов, используемых в рассматриваемом фрагменте конструкции здания, считаются постоянными и приведены в таблице 3.2.

Таблица 3.2 - Характеристики материалов

Наименование материала Толщина, 5, м Коэффициент теплопроводности, X (Вт/(м-°С)) Теплоемкость, о с (кДж/(кг- С)) Плотность, "5 р (кг/м )

Кирпичная кладка 0,77 0,64 0,88 1600

Цементно-песчаный раствор 0,03 0,93 0,84 1800

В работе исследован вариант нестационарного теплообмена предположив, что в начальный момент времени температура внутреннего воздуха равна 23 °С, температура наружного воздуха минус 10 °С и хГш = 240 ч.

На рисунках 3.31-3.32 приведены графики распределения температуры в области внутренней поверхности ограждающей конструкции от угла по глади стены до расстояния 2 метра при циклическом изменении и при постоянном значении температуры наружного воздуха.

21,0 п

0 20,0

0

Я 19,0

Он '

« 18,0 а '

и

1 17,0

о

Н 16,0 15,0

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 Расстояние, м

Рисунок 3.31 - Распределение температуры на внутренней поверхности стены при циклическом законе изменения температуры наружного воздуха

21,0 -|

и 20,0

о

Й 19,0

Он

5 18,0

6 '

(и

| 17,0

<и

Н 16,0 15,0

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 Расстояние, м

Рисунок 3.32 - Распределение температуры на внутренней поверхности стены при

постоянной температуре наружного воздуха

Анализ представленных графиков показывает, что цикличность изменения температуры наружного воздуха не оказывает значительного влияния на температуру внутренней поверхности стены в области наружного угла. Так к примеру после выхода на стационарный режим при циклическом изменения температуры наружного воздуха температура в углу составляет +15,26 °С, на глади стены +19,61 °С, а при средней температуре наружного воздуха температура в углу +15,26 °С, на глади +19,61 °С. При средней температуре наружного воздуха температура уменьшается в углу на 0,0013 °С, а на глади стены на 0,0018 °С. Из представленных рисунков видно, что в области угла температура уменьшается значительнее, чем на глади стены. За расчетное время т = 240 ч при циклическом изменении температура в углу уменьшилась на 1,3 °С, а на глади стены на 0,49 °С.

На рисунках 3.33-3.34 приведены графики распределения температуры в толще стены по диагонали угла и в толще глади стены в зависимости от безразмерного расстояния 3/8тах для рассматриваемых ограждающих конструкций. За нулевую отметку принята наружная поверхность угла.

Рисунок 3.33 - Распределение температуры в толще стены при циклическом изменении температуры наружного воздуха: сплошные линии - в углу;

штриховые - на глади стены

о

сз Он

н

03 Он

о с

г

о

н

- 0 сутки

- 1 сутки 2 сутки

=

- 10 сутки

25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0 -5,0 -10,0 -15,0 -20,0 -25,0

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 Расстояние, 8/8шах

Рисунок 3.34 - Распределение температуры в толще стены при постоянной температуре наружного воздуха: сплошные линии - в углу; штриховые - на глади стены

При рассмотрении теплопередачи при циклическом изменении температуры после выхода на стационарный режим в области угла температура изменяется от минус 23,02 до +15,26 °С, а на глади стены от минус 20,43 до +19,61 °С, в углу при постоянной температуре от минус 18,07 до +15,26 °С, а на глади стены от минус 16,82 до +19,61 °С.

Разный характер изменения кривых на рисунках показывает разницу изменения температуры в зависимости от места, в котором проходит процесс теплопередачи и от характера изменения наружного воздуха. Закон изменения

температуры наружного воздуха влияет на значения плотностей теплового потока внутри конструкции стены. На рисунках 3.34-3.35 приведены графики изменения плотности теплового потока в толще стены в области угла и вдали от него.

130,0

110,0

о

о к 90,0

о ч 2

с и н га 70,0

X С3

н а о 50,0

= о

н о с 30,0

1=

10,0

-10,0

0 сутки 1 сутки 2 сутки 4 сутки 10 сутки

*

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 Расстояние, Э/Зтах

Рисунок 3.35 - Распределение плотности теплового потока в толще стены при циклическом изменении температуры наружного воздуха: сплошные линии - в

углу; штриховые - в толще глади стены

Рисунок 3.36 - Распределение плотности теплового потока в толще стены при постоянной температуре наружного воздуха: сплошные линии - в углу;

штриховые - в толще глади стены

Из рисунков 3.35-3.36 видно, что при постоянном значении температуры наружного воздуха кривые плотности теплового потока около наружной поверхности ограждения изменяются более плавно.

При установившемся режиме теплопередачи величина плотности теплового потока в случае циклического изменения температуры наружного воздуха в

Л

районе глади стены составляет 29,51 Вт/м - на внутренней поверхности стены и 74,77 Вт/м2 - на наружной, а в районе угла составляет 71,61 Вт/м2 - на внутренней

Л

и 44,37 Вт/м - на наружной.

При приближении к стационарному режиму значения плотностей теплового

Л

потока на глади и в углу расходятся и составляют уже 29,51 Вт/м - на глади и

Л

71,61 Вт/м - в углу. Причем в обоих случаях изменения температуры наружного воздуха, плотности теплового потока на внутренней поверхности в углу и на глади стены становятся примерно равны.

По рисунку 3.35 видно, что после выхода конструкции на стационарный режим, при постоянной температуре наружного воздуха, тепловой поток через наружную и внутреннюю поверхности ограждающей конструкции на глади стены

Л

стабилизируется и равняется 29,51 Вт/м . Наложение тепловых потоков через внутреннюю и наружную поверхности исследуемого ограждения в стационарном режиме доказывает правильность полученных результатов. В углу ограждающей конструкции такого не происходит, здесь происходит увеличение значения плотности теплового потока.

Графики изменения температуры и плотности теплового потока с течением времени на внутренних и наружных поверхностях наружного ограждения представлены на рисунках 3.37-3.38.

Рисунок 3.37 - Изменение температуры на поверхности стены в зависимости от времени: сплошные линии - циклическое изменение температуры; штриховые -

постоянная температура

Анализируя рисунок 3.37 можно сделать вывод, что цикличность изменения температуры наружного воздуха незначительно влияет на температуру внутренней поверхности наружного ограждения, а при установлении стационарного режима температуры на внутренней поверхности стены сравниваются. Причем перепад температур в углу конструкции до выхода на стационарный режим больше, чем на глади стены.

После уменьшения температуры наружного воздуха с минус 10 °С происходит резкое понижение температуры поверхности с наружной стороны. То есть температура стены изменяется с минус 10 °С до минус 17,7 °С при постоянном значении температуры наружного воздуха и до минус 26,5 °С при циклическом изменении температуры. Температура на внутренней поверхности стены в области угла изменяется в течении трех суток, температура на глади стены не испытывает значительных изменений.

Рисунок 3.38 - Изменение плотности теплового потока на поверхности стены в зависимости от времени: сплошные линии - циклическое изменение температуры;

штриховые - постоянная температура ?нср

Рисунок 3.38 иллюстрирует воздействие периодического изменения температуры наружного воздуха на плотности тепловых потоков через наружную и внутреннюю поверхности ограждающей конструкции в области угла. Анализируя рисунок можно сделать вывод, что с течением времени средние значения плотности теплового потока, за исключением теплопередачи на наружной поверхности при циклическом изменении температуры, стремятся к своему стационарному значению.

Распределение плотностей тепловых потоков в толще стены в области наружного угла и глади стены значительно отличаются. При стационарном

режиме теплопередачи плотность теплового потока в области угла составляет

2 2 примерно 71,61 Вт/м , а в районе глади стены - 29,51 Вт/м . На наружной

поверхности стены происходит периодическое изменение плотности теплового

л

потока с амплитудой равной примерно 50 Вт/м , но это не оказывает значительного влияния на значения плотности теплового потока на внутренней

поверхности стены. Из этого следует вывод, что данная конструкция стены обладает хорошей теплоустойчивостью [72].

Из рисунка 3.38 видно, что тепловые потоки на глади и в углу стены вначале медленно увеличиваются, стремясь к своим стационарным значениям. Время выхода на стационарный режим теплопередачи составило примерно около 10 суток.

3.7 Выводы по третьей главе

Проведенное численное исследование теплового состояния исследуемых фрагментов наружных ограждений выявило в них закономерности поведения полей температуры и плотности тепловых потоков при различных теплофизических и геометрических характеристиках и позволяет сделать следующие выводы:

1. Предложенный подход позволяет проводить исследования теплового состояния многослойных ограждающих конструкций сложной конфигурации.

2. Исследовано три угловых варианта наружных стеновых конструкций наиболее распространенных в малоэтажном строительстве и проанализировано распределение температуры по внутренней поверхности стены в области наружного угла.

3. Установлено, что на условия теплопередачи влияет геометрия углов зданий. В случае тупого наружного угла падение температуры в нем будет меньше, чем при остром, потому что чем меньше значение угла, тем меньше площадь тепловосприятия и тем больше площадь теплоотдачи наружной стены.

4. Показано, что форма угла влияет на уменьшение значения температуры в нем. В многослойных стенах на величину оказывает большое влияние толщина внутреннего слоя. С повышением термического сопротивления конструкции увеличивается температура в углу конструкции ?у.

5. Исследовано тепловое состояние и теплозащитные свойства расчетных моделей, которые представляют собой фрагменты сопряжения угловой части

наружной стены с монолитной балконной плитой и с межэтажной плитой перекрытия и балконной плитой. Показано, что в углу, образованным наружной стеной и плитой перекрытия температура во всех рассматриваемых случаях падает ниже температуры точки росы, которая при ^ = +23 °С и ф = 55 % составляет = +13,5 °С, и может привести к образованию конденсата в области угла. Согласно СП 50.13330.2012 температура на внутренней поверхности стены в зоне ТНЭ, т.е. в углах должна быть не ниже температуры точки росы.

6. Рассмотрен процесс теплопередачи как вдоль, так и поперек воздушных пустот плиты перекрытия в угловом фрагменте наружного ограждения.

7. Изучено тепловое состояние ограждающей конструкции при замене сплошной плиты перекрытия и балконной плиты на одну монолитную плиту, и при увеличении толщины стены с 670 мм до 800 мм.

8. Исследована теплоустойчивость ограждающей конструкции. Рассмотренный фрагмент наружного ограждения является теплоустойчивым, так как с течением времени не происходит изменений температуры внутренней поверхности стены. Это объясняется большой термической массивностью наружного ограждения и небольшими коэффициентами температуропроводности материалов конструктивных слоев.

9. Показано, что внутренняя поверхность рассматриваемой ограждающей конструкции в области наружного угла практически не подвержена циклическому влиянию температуры наружного воздуха, следовательно, обладает хорошей теплоустойчивостью.

4 Моделирование процессов по устранению негативного влияния

теплонапряженных элементов на теплоперенос в ограждающих конструкциях

В настоящее время эффективное использование произведенной тепловой энергии является мировой концепцией. Большинство стран, обладающих большими запасами природных ресурсов, осознали важность их рационального использования. При проведении ремонта или нового строительства использование современных строительных материалов должно стать основной тенденцией. Поэтому большое внимание уделяется энергоэффективным технологиям и энергосберегающим мероприятиям.

Вместе с современными материалами и технологиями в строительную практику пришли многослойные конструкции сложной конфигурации и с наличием большого количества различных теплопроводных включений. Поэтому, для увеличения уровня энергоэффективности зданий необходимо минимизировать влияние ТНЭ.

В данной главе на основании математического моделирования процесса теплопередачи через ограждающие конструкции с помощью трехмерной математической модели, рассмотрены варианты устранения негативного влияния ТНЭ в ограждающих конструкциях зданий и сооружений. Рассмотрены случаи по включению в конструкцию стены утепляющих вставок для устранения отрицательного влияния балконной плиты. Рассмотрен вариант замены металлической арматуры на стеклопластиковую и изучено влияние нагревательного кабеля на тепловое состояние ограждения.

4.1 Исследование влияния термоизоляции на тепловое состояние

теплонапряженных элементов

Рассмотрим использование тепловой изоляции как метод увеличения теплозащитных качеств наружных ограждений. Применив трехмерную математическую модель, являющейся частным случаем математической модели (3.1)-(3.5), было изучено действие тепловой изоляции на тепловое состояние конструкции.

Рассмотрим теплоперенос через ограждающие конструкции в зоне ТНЭ с наличием утепляющих вставок. Расчетные модели выполнены в соответствии с вариантами наружных ограждений приведенных на рисунке 3.2.

Расчетные модели представляют собой фрагменты сопряжения угловой части наружной стены с межэтажной плитой перекрытия и балконной плитой. Модели включает такие теплонапряженные элементы как наружный угол варианта конструкции №1 - 1, сопряжение сплошной плиты перекрытия с наружной стеной - 2, сопряжение пустотной плиты перекрытия с наружной стеной - 3, сопряжение балконной плиты с наружной стеной - 4.