Проверка отсутствия замерзания конденсата в вентиляционных каналах в конструкциях наружных стен

Научно-технический и производственный журнал

-------ЖИЛИЩНОЕ ---

СТРОИТЕЛЬСТВО

Structural calculations

УДК 697.1: 699.86

О.Д. САМАРИН, канд. техн. наук

Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет

Проверка отсутствия замерзания конденсата в вентиляционных каналах в конструкциях наружных стен

Рассмотрены особенности расчета стационарного двумерного температурного поля в наружных стенах жилых зданий при наличии в их конструкции вентиляционных каналов. Приведен алгоритм и результаты вычисления температуры в опасных точках каналов для расчетных зимних условий с помощью программы для ЭВМ, реализующей метод конечных элементов. Дан анализ полученных данных и предложены рекомендации по дополнительной наружной теплоизоляции конструкции в зоне размещения каналов для наилучшего обеспечения санитарно-гигиенических требований к наружным ограждениям в соответствии с СП 50.13330.2012. Представлено подтверждение указанных рекомендаций с использованием дополнительных расчетов по рассмотренной методике. Изложение проиллюстрировано примерами изображения температурных полей для конструкции стены в жилом здании по одному из существующих проектов.

Ключевые слова: наружная стена, вентиляционный канал, температурное поле, промерзание, утеплитель.

Для цитирования: Самарин О.Д. Проверка отсутствия замерзания конденсата в вентиляционных каналах в конструкциях наружных стен // Жилищное строительство. 2017. № 4. С. 25-27.

O.D. SAMARIN, Candidate of Sciences

Examination of Absence of Condensate Freezing in Ventilating Ducts Within Structures of External Walls

The features of the calculation of the stationary two-dimensional temperature field in the external walls of residential buildings are considered with the presence of ventilation ducts within their structures. The algorithm and results of calculation of temperatures in critical points of the channels for winter conditions are shown using the computer program implementing the finite element method. The analysis of the obtained data is given and recommendations for additional exterior insulation of construction in the area of the channels are proposed to best meet the sanitary and hygienic requirements for outdoor enclosures in accordance with SP 50.13330.2012. The confirmation of those recommendations with additional calculations on the considered procedure is presented. The presentation is illustrated by examples of images of temperature field for the wall construction in a residential building on one of the existing projects.

Keywords: external wall, ventilating duct, temperature field, freezing, thermal insulation.

For citation: Samarin O.D. Examination of absence of condensate freezing in ventilating ducts within structures of external walls. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2017. No. 4, pp. 25-27. (In Russian).

Несмотря на определенные успехи в области применения энергоэффективных ограждающих конструкций и энергосберегающих инженерных решений при строительстве жилых зданий, в настоящее время в подобных объектах все же преобладает устройство естественных систем вытяжной вентиляции. Их практически единственным преимуществом является техническая простота и отсутствие необходимости в регулировании и обслуживании, но в то же время их применение крайне затрудняет утилизацию теплоты вытяжного воздуха и тем самым существенно ограничивает возможности по снижению энергопотребления здания. Хотя данный вопрос становится все более существенным именно в последние годы, в том числе и в связи с введением в действие СП 50.13330.2012 «Актуализированная редакция СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий»» (далее - СП 50), поскольку в данном документе предусмотрен учет наличия теплоутилизации при расчете годового расхода энергии на отопление и вентиляцию. Поэтому при определенных условиях за счет реализации такого решения удается либо повысить класс энергосбере-

42017 ^^^^^^^^^^^^^

жения проектируемого объекта, либо при одном и том же классе добиться снижения приведенного сопротивления теплопередаче несветопрозрачных наружных ограждений. Это также является весьма существенным, поскольку именно дополнительная теплоизоляция оказывается самым дорогостоящим из возможных энергосберегающих мероприятий [1].

Тем не менее с учетом существующей ситуации и имеющихся технических возможностей необходимо обеспечивать выполнение действующих норм и при наличии естественной вентиляции. В первую очередь речь идет о санитарно-гигиенических условиях, которые сводятся к поддержанию требуемой чистоты воздуха в жилых помещениях за счет достижения нормативной величины воздухообмена и к отсутствию промерзания конструкций, соприкасающихся с внутренним или вытяжным воздухом, с целью предотвращения их разрушения из-за изменения фазового состояния влаги. При этом нужно также учитывать, что данные требования распространяются как на объекты нового строительства, так и на эксплу-

- 25

Расчет конструкций

ц м .1

Научно-технический и производственный журнал

атируемые здания, поскольку относятся к безопасности жизнедеятельности людей в соответствии с Федеральным законом № 384-Ф3 «Технический регламент «О безопасности зданий и сооружений». По этим причинам обычно рекомендуется прокладывать вентиляционные каналы рассматриваемых систем либо вдоль внутренних ограждений, либо в их конструкциях. Однако встречаются случаи, когда по технологическим причинам такие каналы вынужденно устраиваются в толще наружной стены. Тогда вопрос об отсутствии их промерзания становится особенно актуальным.

Решение данной задачи обычно связано с расчетом температурного поля в поперечном сечении конструкции. Различные подходы к исследованиям подобного рода рассматриваются в многочисленных работах ряда авторов, как отечественных, так и зарубежных, например [2-8]. При этом аналитические зависимости, разработанные для случаев с более простой конфигурацией, например, в [9], а также инженерные приемы, основанные на оценке влияния отдельных теплотехнических неоднородностей, изложенные, в частности, в [3-4], в данном случае оказываются малопригодными, и требуется использование численных методов. Это связано с тем обстоятельством, что геометрия исследуемой области является достаточно сложной, особенно с учетом наличия материальных слоев с различными теплофизическими параметрами, что характерно для современных ограждений с повышенным уровнем теплозащиты.

В основе расчетного алгоритма существующих программ для ЭВМ, реализующих численные методы, в большинстве случаев лежит аппроксимация методом конечных элементов дифференциального уравнения теплопроводности в стационарном режиме (уравнения Лапласа) для двумерного случая (1) :

дх2 + Э/ '

где t - температура, оС, в сечении конструкции в точке с координатами х и у, м.

Данное уравнение решается при граничных условиях 3-го рода, характеризующих связь интенсивности теплообмена на поверхностях конструкции с градиентом температуры в его массиве. В частности, для внутренней поверхности соответствующее выражение можно записать так:

(Ъх\

-к Ч- =».

Здесь п - расстояние по внутренней нормали к поверхности угла, м; Хв - теплопроводность материала у этой поверхности, Вт/(м К); ав - коэффициент полного теплообмена на внутренней поверхности, Вт/(мК); ^ - температура воздуха в помещении, оС; тв - температура поверхности в рассматриваемой точке, оС. Аналогичное соотношение можно составить и для наружной поверхности, но в этом случае индексы «в» у используемых переменных следует заменить на «н».

На стыке материальных слоев используется граничное условие 4-го рода, выражающее непрерывность температурного поля и плотности потока теплоты. Средняя температура воздуха в воздушной прослойке принимается исходя из стационарного распределения температур в стене вдали от теплотехнических неоднородностей.

Рис. 1. Схема расчетной области наружной стены и ее температурное поле

Рассмотрим результаты расчетов по одной из существующих компьютерных программ для одного из вариантов конструкций с вентиляционными каналами внутри наружной стены. Выделяем характерный повторяющийся элемент ограждения вертикальными плоскостями, на которых задаем однородные граничные условия 2-го рода, т. е. с нулевым значением теплового потока в направлении, перпендикулярном этим плоскостям. Схема расчетной области представлена на рис. 1, геометрические размеры в метрах показаны вокруг рамки изображения. При формировании других граничных условий значение ^ принималось равным +20оС по требованиям ГОСТ 30494-2011 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата помещений» для рядовых жилых комнат, а величина ав = 8,7 Вт/(м2К) для несветопрозрачной конструкции по СП 50. При записи условия (2) для наружной поверхности расчетная температура наружного воздуха ^ учитывалась в размере -28оС для наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0.92 (параметры «Б») для рассматриваемого района строительства по данным СП 131.13330.2012 «Актуализированная редакция СНиП 23-01-99* «Строительная климатология», а коэффициент полного теплообмена на наружной поверхности ан = 23 Вт/(м2К) - по СП 50. Теплофизические характеристики применяемых материалов учитывались также в соответствии с данными СП 50.

Изображение получаемого температурного поля также показано на рис. 1. Видно, что изотермы сгущаются в пределах зон, где размещен утеплитель, а вокруг вентиляционных каналов выгибаются так, что минимальная температура наблюдается в середине их наружной (внешней) поверхности. При этом ее экстремальное значение составляет: -0,15о для кирпичного канала сечением 400x140 мм и -0,87о - для канала сечением 140x140 мм. Таким образом, можно заключить, что в рассматриваемом состоянии конструкции возможно обмерзание вентиляционных каналов в расчетном зимнем режиме, даже несмотря на то, что они размещены ближе к внутренней поверхности стены, а внутри дополнительных полостей такого же сечения, расположенных со стороны наружного воздуха, предусмотрены теплоизоляционные вставки из минеральной ваты. При этом более подверженным обмерзанию оказывается канал с меньшим сечением, поскольку в его зоне теплоизоляционная вставка также имеет меньшие размеры.

Поэтому для исключения обмерзания в данном случае рекомендуется произвести дополнительное утепление фасада с его наружной стороны в зоне расположения каналов. Необходимость нанесения теплоизоляции именно на внешнюю поверхность связана с предотвращением накопления

26

42017

Научно-технический и производственный журнал

ЖИЛИЩНОЕ

Л

Structural calculations

Рис. 2. Схема расчетной области наружной стены и ее температурное поле при наличии наружного утепления

дополнительного конденсата в толще стены1. Были проведены дополнительные вычисления для случая, когда в качестве утеплителя применяется слой минеральной ваты толщиной 50 мм с теплопроводностью Аут = 0,045 Вт/(м-К), т. е. материал, аналогичный использованному в теплоизоляционных вставках. Ширина слоя составляет 640 мм. Схема исследуемой области и результаты расчетов соответствующего температурного поля показаны на рис. 2.

Список литературы

1. Самарин О.Д. Энергетический баланс гражданских зданий и возможные направления энергосбережения // Жилищное строительство. 2012. № 8. С. 2-4.

2. Гагарин В.Г., Пастушков П.П.. Об оценке энергетической эффективности энергосберегающих мероприятий // Инженерные системы. АВОК-Северо-Запад. 2014. № 2. С. 26-29.

3. Гагарин В.Г., Дмитриев К.А. Учет теплотехнических не-однородностей при оценке теплозащиты ограждающих конструкций в России и европейских странах // Строительные материалы. 2013. № 6. С. 14-16.

4. Гагарин В.Г., Козлов В.В. Теоретические предпосылки расчета приведенного сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций // Строительные материалы. 2010. № 12. С.4-12.

5. Кривошеин А.Д. К вопросу о проектировании тепловой защиты светопрозрачных и непрозрачных конструкций [электронный ресурс] http://odf.ru/k-voprosu-o-proektirovanii-tep-article_579.html

6. Friess W.A., Rakhshan K., Hendawi T.A., Tajerzadeh S.. Wall insulation measures for residential villas in Dubai: A case study in energy efficiency. Energy and Buildings. 2012. No. 44. Pp. 26-32.

7. Horikiri K., Yao Y., Yao J.. Modelling conjugate flow and heat transfer in a ventilated room for indor thermal comfort assessment. Building and Environment. 2014. No. 77. Pp. 135-147.

8. Tae Sup Yun, Yeon Jong Jeong, Tong-Seok Han, Kwang-Soo Youm. Evaluation of thermal conductivity for thermally insulated concretes. Energy and Buildings. 2013. No. 61. Pp. 125-132.

9. Самарин О.Д.. Расчет температуры на внутренней поверхности наружного угла здания с современным уровнем теплозащиты // Известия вузов. Строительство. 2005. № 8. С. 52-56.

Таким образом, в данном случае все значения температуры на внешней поверхности вентканалов уже являются положительными: минимальные значения составляют +0,41о для кирпичного канала сечением 400x140 мм и +0,09о - для канала сечением 140x140 мм. При этом средняя температура воздуха в воздушных прослойках принималась так же, как и в исходном варианте. Фактически она будет выше из-за появления дополнительного местного утепляющего слоя, поэтому результаты расчета являются даже несколько заниженными, т.е. действительные температуры в каналах будут больше отличаться от нулевого значения. Тем не менее, необходимо отметить еще раз, что подобные конструкции нельзя рекомендовать для массового использования, и они допустимы только в виде исключения, при отсутствии технической возможности прокладки каналов во внутренних ограждениях или отдельно у их поверхностей. Следует также заметить, что наружное утепление приводит к изменению внешнего вида фасада, что может создать определенные затруднения с точки зрения реализации архитектурных решений здания. При этом в любом случае окончательный вариант должен выбираться на основании расчета температурного поля в опасных зонах конструкций, как этого и требует в настоящее время СП 50.

References

1. Samarin O.D. The energy balance of public buildings and possible ways of energy saving. Zhilishchnoye stroitel'stvo [Housing Construction]. 2012. No. 8, рр. 2-4. (In Russian).

2. Gagarin V.G., Pastushkov P.P. About an Assessment of Power Efficiency of Energy Saving Action. Inzhenernye sistemy. AVOK-Severo-Zapad. 2014. No. 2, рр. 26-29. (In Russian).

3. Gagarin V.G., Dmitriev K.A. Account of thermal non-uniformities during estimation of thermal performance of building enclosures in Russia and European countries. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2013. No. 6, рр. 14-16. (In Russian).

4. Gagarin V.G., Kozlov V.V. Theoretical reasons for calculation of reduced thermal resistance of building enclosures. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2010. No. 12, рр. 4-12. (In Russian).

5. Krivoshein A.D. On the question of design of thermal protection of translucent and opaque constructions. [electronic resource] http://odf.ru/k-voprosu-o-proektirovanii-tep-article_579.html (date of treatment: 28.02.2016) (In Russian).

6. Friess W.A., Rakhshan K., Hendawi T.A., Tajerzadeh S. Wall insulation measures for residential villas in Dubai: A case study in energy efficiency. Energy and Buildings. 2012. No. 44, рр. 26-32. (In Russian).

7. Horikiri K., Yao Y., Yao J.. Modelling conjugate flow and heat transfer in a ventilated room for indor thermal comfort assessment. Building and Environment. 2014. No. 77, рр. 135-147.

8. Tae Sup Yun, Yeon Jong Jeong, Tong-Seok Han, Kwang-Soo Youm. Evaluation of thermal conductivity for thermally insulated concretes. Energy and Buildings. 2013. No. 61, рр. 125-132.

9. Samarin O.D. Calculation of temperature in the internal surface of the external corner of a building with modern level of thermal protection. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Stroitel'stvo. 2005. No. 8, рр. 52-56. (In Russian).

1 В.Н. Богословский. Строительная теплофизика (теплофизические основы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха): Учебник для вузов. 3-е изд. СПб.: Изд-во «АВОК СЕВЕРО-ЗАПАД», 2006. 400 с.

42017

27