Аспекты теплотехнического расчета легких ограждающих конструкций

Аспекты теплотехнического расчета легких ограждающих конструкций

И. Ю. Шалагин

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Тюменский государственный архитектурно-

строительный университет.

Аннотация: В статье рассмотрен теплотехнический расчет легких ограждающих конструкций, показано действие фильтрации воздуха на распределение температуры на внутренней поверхности ограждения.

Ключевые слова: Воздухопроницаемость, температурное поле, легкие ограждающие конструкции, высокопористые утеплители, влажность материала.

Наружные ограждения любых зданий должны предохранять помещения от непосредственных атмосферных воздействий [1].

В зимнее время наружное ограждение разделяет воздушные среды с различными температурами и, как правило, с различными барометрическими давлениями [2]. В результате возникающей разницы давлений с обеих сторон ограждающей конструкции происходит перемещение воздуха из области большего давления в область меньшего. Процесс перемещения воздуха через материал ограждения называется воздухопроницаемостью.

Воздухопроницание существенно влияет на теплопередачу через ограждения, а также на теплопотери и тепловой режим помещений [1].

Влияние воздухопроницаемости на температурный режим ограждающих конструкций стало приобретать более значимый характер в связи с переходом на каркасно-монолитное строительство. При этом виде строительства стены зданий перестали выполнять несущие функции и, как следствие, стали менее массивными. Для строительства стали применять высокопористые теплоизоляционные материалы с меньшим коэффициентом теплопроводности, но, как выяснилось, с большим коэффициентом воздухопроницаемости. В индивидуальном строительстве широкое применение получила технология каркасного или каркасно-щитового домостроения.

:

При расчете температурных полей таких ограждающих конструкций применение существующих компьютерных программ будет некорректным ввиду того, что используемые в этих программах дифференциальные уравнения теплопроводности (1.1) не учитывают коэффициент фильтрации воздуха материала ограждения.

где: Т - температура, К; к(Т) - коэффициент теплопроводности, Вт/(мК); q - удельная мощность тепловыделения, Вт/м ; с(Т) - удельная теплоемкость, Дж/(кгК); р - плотность материала, кг/м .

Ф. В. Ушковым [2] была разработана методика расчета температурных полей плоской пористой стенки при наличии фильтрации воздуха. Автор данной методики в своей работе, предлагает следующее дифференциальное уравнение:

дг дг

где с - удельная теплоемкость материала ограждения, Втч/(кг°С); р -плотность материала ограждения, кг/м ; к - коэффициент теплопроводности материала, Вт/(м°С); св - удельная теплоемкость воздуха, Втч/(кг°С); Ж -количество фильтрующегося воздуха, кг/(м ч).

В условиях постоянной наружной и внутренней температуры в стационарных условиях производная по времени в уравнении (2) будет равна нулю и дифференциальное уравнение распространения тепла в плоской стенке при фильтрации воздуха приобретет вид:

д3t с?!

Решение уравнения (3) дает формулу для определения температуры в любой плоскости ограждения [9]:

= ¿а + — О 1 _ ^

где 1Х - температура в любой плоскости ограждения, °С; ¿н, 1в -температура наружного и внутреннего воздуха, °С; ЯХ - термическое сопротивление ограждения от наружного воздуха до рассматриваемой плоскости при отсутствии фильтрации воздуха, м °С/Вт; Яо - сопротивление

теплопередаче всего ограждения при отсутствии фильтрации воздуха,

2 2 м ^°С/Вт; Ж - количество фильтрующегося воздуха, кг/(м ч).

Для исследования влияния воздухопроницаемости на изменение теплотехнических характеристик ограждающих конструкций были проведены исследования индивидуального жилого дома.

Объектом исследований являлся двухэтажный коттедж (рис. 1).

Рис. 1. - Коттедж, Тюменская область, деревня Метелево Конструкция и характеристики материалов стены испытуемого объекта представлены на рис. 2 и в таблице 1.

СщнилоОыО соМина

у-' Деревянный брцсок А' / ветрозащитная мембрана

Рис. 2. - Конструкция стены

Таблица №1

Характеристики материалов ограждения

№ п/п Наименование Толщина, мм Теплопроводность, Вт/(м°С) Плотность, кг/м3

1 Гипсокартон 12,5 0,15 800

2 ОСП панель 9,5 0,15 1000

3 Пароизоляция «Изоспан В» 0,25

4 Минвата «ЯОС^ООЬ Лайт БАТТС Скандик» 150 0,039 32

5 Дерево (сосна) - 0,292 600

6 Ветрозащитная пленка «Изоспан А» 0,45

7 Виниловый сайдинг 1,02 0,19

Для определения фактического сопротивления теплопередаче испытуемой конструкции на внутреннюю поверхность устанавливался измеритель плотности тепловых потоков ИТП-МГ4.03 «ПОТОК» на период 96 часов с периодом фиксации значений плотности теплового потока равным

:

5 минут. В результате измерений среднее значение плотности теплового потока составило 7,9 Вт/м . Средние температуры внутреннего и наружного воздуха соответственно составили 22,6 °С и минус 11,6 °С. При расчете фактического сопротивления теплопередаче согласно (ГОСТ 26254-84) примем температуры внутренней и наружной поверхностей ограждений равными температурам внутреннего и наружного воздуха. Тогда сопротивление теплопередаче составит:

Расчетное значение сопротивление теплопередаче рассматриваемой конструкции в зоне расположения утеплителя составило:

Требуемое сопротивление теплопередаче для условий г. Тюмени, определяемое по (СНиП 23-02-2003), составляет 3,54 (м~  С)/Ет. Отсюда

следует, что обследуемая ограждающая конструкция соответствует требованиям (СНиП 23-02-2003).

Для получения полей температур на внутренних поверхностях ограждающих конструкции было выполнено тепловизионное обследование в соответствии (ГОСТ Р 54852-2011). Исследование было проведено в отопительный период, когда температура внутреннего воздуха составляла 22,3оС, а относительная влажность внутреннего воздуха составляла 24,2 %. Температура наружного воздуха на момент обследования составляла минус 8,6оС. На рис. 3 представлено температурное поле фрагмента стенового ограждения.

Рис. 3. - Температурное поле фрагмента стены Как видно из рис. 3, в местах расположения вертикальных и горизонтальных брусков имеются зоны пониженных температур (до 18,7оС), что свидетельствует о сниженных теплозащитных свойствах смонтированного ограждения. Зоны пониженных температур в местах расположения деревянных брусков обусловлены тем, что материал брусков имеет непосредственный контакт с внутренней и наружной поверхностями ограждающей конструкции. Иными словами, деревянные бруски выполняют функции мостиков холода шириной 50 мм. Такой температурный режим ограждающих конструкций удовлетворяет требованиям (СНиП 23-02-2003) по условию максимального перепада (4оС) между температурой внутреннего воздуха (22,3оС) и внутренней поверхности стены (19оС). Следует отметить, что согласно (СНиП 23-02-2003), при расчете нормативного сопротивления теплопередаче принимается средняя температура наружного воздуха для периода со среднесуточной температурой не более 8 оС, которая для условий г. Тюмени составляет минус 7,2оС (СНиП 23-01-99).

Для сравнения фактических полей распределения температур был выполнен расчет данной конструкции в программе Е1си 6.1. При выполнении расчета теплопроводность материала дерева была принята равной 0,457 Вт/моС при влажности материала дерева не более 30% [3]. Расчетное температурное поле представлено на рис. 4.

Температура Т°С

И 21.50 _18.52

/

Локальные значения ф-Й Координаты

|.....* Температура Т - Л .457 °С

_I 6.61

_ 3.63

__0.65

__-2.33

I

Рис. 4. - Температурное поле по сечению стены Сравнительный анализ рис. 3 и 4 показал высокую сходимость расчетных и экспериментальных значений. Значения расчетных температур на внутренней поверхности ограждения были получены при температуре наружного воздуха равной минус 8,6оС и температуре внутреннего воздуха равной 22,3оС. При проверке ограждающих конструкций на соблюдение нормируемого температурного перепада между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности стены, следует обратить внимание на то, что перепад температур внутреннего воздуха и внутренней поверхности стены (СНиП 23-02-2003) определяется при средней наружной температуре наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,92.

Температура наиболее холодной пятидневки для г. Тюмени составляет минус 38оС (СНиП 23-01-99). В связи с этим был выполнен пересчет наиболее низкой температуры на внутренней поверхности ограждения в соответствии с формулой (2) прил. 7 (ГОСТ 26254-84) на расчетную наружную температуру минус 38оС, внутреннюю 20оС. Также был выполнен расчет распределения температур по сечению ограждающей конструкции. Расчетная температура внутренней поверхности, полученная по формуле (2) прил. 7 (ГОСТ 26254-84) составила 13,45оС. Температурное поле ограждения при температуре наружного воздуха минус 38оС представлено на рис. 5.

Рис. 5. - Температурное поле по сечению стены.

Как видно из рис. 5, значение температуры внутренней поверхности ограждения в зоне расположения вертикальной стойки и значение температуры, полученной по формуле (2) прил. 7 (ГОСТ 26254-84) в достаточной степени сходятся. Анализ температур внутренней поверхности, рассчитанных на условия температуры наружного воздуха наиболее

холодной пятидневки, показал, что температурный режим ограждений не будет удовлетворять нормативным значениям (СНиП 23-02-2003) ввиду превышающего перепада температур (7оС) внутреннего воздуха и внутренней поверхности стены. При дальнейшей эксплуатации здания, в результате высыхания материала древесины, объемная эксплуатационная влажность для условий г. Тюмени будет не более 12 %. В соответствии с [3] при объемной влажности 12% и средней плотности материала (сосна обыкновенная) 600 кг/м при отрицательных температурах теплопроводность составит 0,292 Вт/моС. Расчетное поле температур при теплопроводности древесины 0,292 Вт/моС представлено на рис. 6.

Рис. 6. - Температурное поле по сечению стены. Анализ рис. 6 показал, что температура на внутренней поверхности обследуемой конструкции не будет удовлетворять условию допустимого перепада температур, регламентированного в (СНиП 23-02-2003). Также

значение температуры внутренней поверхности может снижаться в результате влияния различных факторов.

Температурное поле и теплотехнические качества конструкций могут существенно изменяться при совместном действии процессов передачи тепла и фильтрации воздуха через ограждения [4]. Для определения температур на внутренней поверхности в условиях фильтрации был выполнен расчет температуры в зоне расположения утеплителя по методике [2], которая составила 16,8 оС. Также определена фактическая воздухопроницаемость ограждений в соответствии с (ГОСТ 31167-2009), которая составила 6 кг/(м2ч).

Таким образом, можно сделать следующие выводы:

- воздухопроницаемость в значительной степени оказывает влияние на значения температур в легких ограждающих конструкциях;

- теплотехнический расчет легких ограждающих конструкций необходимо выполнять на условия максимальных отрицательных наружных температур района строительства.

Литература

1. Богословский В.Н. Тепловой режим здания. - М.: Стройиздат, 1979. - 248 с.

2. Ушков Ф.В. Теплопередача ограждающих конструкций при фильтрации воздуха. - М.: Стройиздат, 1969. - 144 с.

3. Франчук А.У. Таблицы теплотехнических показателей строительных материалов, М.: НИИ строительной физики, 1969 - 142 с.

4. Ильинский В. М. Строительная теплофизика (ограждающие конструкции и микроклимат зданий). - М.: Стройиздат, 1974. - 216 с.

5. Богословский В.Н. Строительная теплофизика. - М.: Высшая школа, 1982. -416с.

6. Гранум X. Оптимизация теплоизоляции зданий (Трондхеймский университет, Норвегия) // Экономия энергии при застройке городов. - М.: Стройиздат, 1983. - 304-331 с.

7. Банхиди JI. Тепловой микроклимат помещений / Пер. с венг.В.М. Беляева. Под ред. В.И. Прохорова и A.JI. Наумова. - М.: Сгройиздат, 1981. -248 с.

8. Беляев B.C., Хохлова Л.П. Проектирование энергоэкономичных и энергоактивных гражданских зданий. - М.: Высш. шк., 1991, 178 с.

9. Ш. С. Тагойбеков, З. В. Кобулиев, Ф. Х. Саидов. Экспериментальные исследования прочности и теплофизических характеристик материалов для теплотехнических расчетов ограждающих конструкций на их основе // Инженерный вестник Дона, 2013, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/2170/.

10. Н. Н. Руденко, И. Н. Фурсова. Влияние нестационарных тепловых условий на определение термического сопротивления ограждения // Инженерный вестник Дона, 2013, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/2079/.

11. 124. DIN 4108: Warmeschutz in Hochbau. — 1995. - 54 p.

12. Kiefil K. Kapillarer und dampfformiger Feuchtetransport in mehrschichti-gen Bauteilen: Dissertation Universitat-Gesamthochschule Essen, 1983. - 28 p.

References

1. Bogoslovskiy V.N. Teplovoy rezhim zdaniya [The thermal regime of the building]. M.: Stroyizdat, 1979. 248 p.

2. Ushkov F.V. Teploperedacha ograzhdayushchikh konstruktsiy pri fil'tratsii vozdukha [Heat walling when air filtration]. M.: Stroyizdat, 1969. 144 p.

3. Franchuk A.U. Tablitsy teplotekhnicheskikh pokazateley stroitel'nykh materialov [Tables of thermal performance of building materials]. M.: NII stroitel'noy fiziki, 1969. 142 p.

4. Il'inskiy V. M. Stroitel'naya teplofizika (ograzhdayushchie konstruktsii i mikroklimat zdaniy) [Building Thermal Physics (Building envelope and the microclimate of buildings)]. M.: Stroyizdat, 1974. 216 p.

5. Bogoslovskiy V.N. Stroitel'naya teplofizika [Building Thermal Physics]. M.: Vysshaya shkola, 1982. 416 p.

6. Granum X. Optimizatsiya teploizolyatsii zdaniy [Optimizing building insulation] (Trondkheymskiy universitet, Norvegiya). Ekonomiya energii pri zastroyke gorodov. M.: Stroyizdat, 1983. 304-331 p.

7. Bankhidi JI. Teplovoy mikroklimat pomeshcheniy [Thermal indoor climate] Per. s veng.V.M. Belyaeva. Pod red. V.I. Prokhorova i A.JI. Naumova. M.: Sgroyizdat, 1981. 248 p.

8. Belyaev B.C., Khokhlova L.P. Proektirovanie energoekonomichnykh i energoaktivnykh grazhdanskikh zdaniy [Designing energy efficient public buildings ienergoaktivnyh]. M.: Vyssh. shk., 1991, 178 p.

9. Sh. S. Tagoybekov, Z. V. Kobuliev, F. Kh. Saidov Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2013, №4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/2170/.

10. N. N. Rudenko, I. N. Fursova Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2013, №4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/2079/.

11. DIN 4108: Warmeschutz in Hochbau. 1995. 54 p.

12. Kiefil K. Kapillarer und dampfformiger Feuchtetransport in mehrschichti-gen Bauteilen: Dissertation Universitat-Gesamthochschule Essen, 1983. 28 p.