Определение теплопотерь подземной части здания расчетом трехмерного температурного поля грунта

7/)П11 ВЕСТНИК _1/2011_МГСУ

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОПОТЕРЬ ПОДЗЕМНОЙ ЧАСТИ ЗДАНИЯ РАСЧЕТОМ ТРЕХМЕРНОГО ТЕМПЕРАТУРНОГО

ПОЛЯ ГРУНТА

DEFINITION OF HEAT LOSS FOR UNDERGROUND PART OF BUILDING BY CALCULATION OF THREE-DIMENSIONAL SOIL TEMPERATURE PATTERN

Е.Г. Малявина, Д.С. Иванов E. Malyavina, D. Ivanov

Московский ГСУ

В статье приведено температурное поле грунта вокруг здания в различные периоды года и показано влияние типа грунта, его сезонного промерзания и температуры воздуха заглубленного помещения на теплопотери через ограждающие конструкции.

The article offers a soil temperature pattern around the building in different seasons of the year and shows the influence of the type of soil, its seasonal freezing and air temperature of substructure areas on the heat loss via building envelope.

Глубина подземных частей современных зданий довольно часто достигает 15 - 20 м и даже больше. Для определения теплопотерь заглубленных частей здания наиболее известна методика расчета «по зонам», когда стены и пол, расположенные на грунте, делятся на полосы шириной 2 м. Каждая зона характеризуется условным коэффициентам теплопередачи, отнесенным к разности температуры наружной и внутренней сред.

Расчет теплопотерь в заглубленной в грунт части здания традиционно выполняется именно по этой методике [1]. Но, как показывает практика, современные инженерные методики не позволяют достаточно точно оценить требуемую мощность отопления заглубленных частей здания. Эти методики были разработаны в то время, когда глубина подвалов не превышала трех - четырех метров. По словам ряда проектировщиков, рассчитанные по действующим нормативам теплопотери часто оказываются значительно завышенными.

Наиболее объективную картину теплового режима грунта вместе с подземной частью здания может дать прямой расчет нестационарного трехмерного температурного поля в годовом режиме.

ДИНАМИКА ИЗМЕНЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ ГРУНТА В

ТЕЧЕНИЕ ГОДА

Решение задачи получено [2] методом конечных разностей по неявной схеме. Для перехода к трехмерному решению задачи был применен локально-одномерный метод. Учет влияния сезонного промерзания и оттаивания влаги в порах грунта выполнен с помощью метода сглаживания коэффициентов. Рассматривается температурное поле грунта, ограниченное:

- ограждающими конструкциями заглубленной части здания с известной внутренней температурой;

- поверхностью грунта, на которой задано условие третьего рода с изменяющимися температурой воздуха, скоростью ветра и интенсивностью солнечной радиации;

- поверхностями, отстоящими от наружных граней здания не менее, чем на 3 калибра, с отсутствующим тепловым потоком через них (рис. 1).

Указанный метод реализован в программе для ЭВМ на языке Delphi.

С использованием программы выполнен ряд расчетов. Целью расчета является получение температурных полей в течение года с шагом по времени равным 3 ч. Ниже приведены результаты расчетов для подземной части со следующими габаритами: 34,8 м в длину 15,9 м в ширину, заглубление 11,6 м. Средняя температура воздуха подземной части здания принята равной 25 °С.

Окружающий здание массив грунта - суглинок, имеет следующие теплофизиче-ские характеристики: плотность сухого грунта 1800 кг/м3, суммарная влажность грунта 0,1, температура промерзания влаги в порах грунта 0 °С, теплоемкость талого грунта 1222 Дж/(кгК), его теплопроводность 1,98 Вт/(м-К), теплоемкость мерзлого грунта 1030 Дж/(кгК), его теплопроводность 2,20 Вт/(м К).

В расчетах принята одинаковая конструкция заглубленных стен и пола, представляющая собой железобетонную плиту со следующими характеристиками: толщина 0,4 м, плотность 2500 кг/м3, теплоемкость 840 Дж/(кгК), теплопроводность 2,04 Вт/(мК). Ограждающие конструкции приняты неутепленными.

Для рассматриваемой подземной части здания были построены температурные поля грунта для различных периодов года. Результаты, полученные на расчетный пятый год повторения температурного поля, представлены для сечения по центру здания. На рис. 2 изображен разрез по подвальной части здания и прилегающему массиву грунта с нанесением изотермических линий.

\ орад

Рис. 1. Графическое изображение области расчета

7/2011

ВЕСТНИК

_МГСУ

а)

б)

Расстояние от

Расстояние от

5 10 15 центра здания, м ^_5_10_15 центра здания, м

1=25 °С

'10

1=25 °С

5

20 15

-11.600

20

15 10

-11.600

10

10

20

20

15

15

10

10

20

20

5

30

5

30

Глубина, м

г)

Глубина, м

в)

Расстояние от Расстояние от

и ° 10 15 центра здания, м 0 5 10 15

о 28-— —----

1=25 °С

15

0

10

-11.600

20

10

10

центра здан^ м

0

1=25 °С

-11.600

20

10

15

20

20

15

15

20

10

10

20

5

30

Глубина, м

5

5

30 _

Глубина, м

Рис. 2. Динамика изменения температурного поля грунта в течение года в сечении по

центру здания: а - январь; б - апрель; в - июль; г - октябрь

5

5

5

5

5

Полученные изотермы для различных периодов года показывают. что подземная часть здания с постоянной высокой температурой формирует практически постоянное в течение года температурное поле вокруг и под зданием. Температурное поле грунта ниже 10 м также мало изменяется из-за большой инерции грунта. Сезонные колебания температуры грунта хорошо просматриваются только до глубины 7 м.

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА ВЕЛИЧИНУ

ТЕПЛОПОТЕРЬ

С помощью разработанной программы, было исследовано влияние ряда факторов на теплопотери здания, а именно:

а) влияние внутренней температуры помещения;

б) влияние свойств грунта;

в) влияние процессов фазового перехода влаги в порах грунта.

Расчеты выполнены для здания, которое было описано выше.

На рис. 3 приведены графики сравнения теплопотерь через стены здания, рассчитанных "по зонам" и по программе для различных значений температуры воздуха внутри помещения. Для большей наглядности на графиках рис. 3 значения теплопотерь приведены к значениям коэффициента теплопередачи в определенных точках стены по грунту. При температуре помещений ниже 10 °С теплопотери, полученные по программе, ниже, полученных по нормативной методике. При температуре помещений выше 15 °С - превосходят, полученные «по зонам».

Анализируя представленные результаты можно сделать вывод о том, что снижение теплопотерь при значениях температуры помещения, близких к 5 °С, объясняется тем, что эта температура мало отличается от практически постоянной температуры на глубине ниже 10 - 15 м. Теплопотери при этом незначительны, что не учитывает нормативная методика. увеличение теплопотерь с возрастанием температуры помещения выше 15 °С связано с тем, что при этом наблюдается постоянный отток теплоты в окружающий грунт с более низкой температурой, который в нестационарном тепловом режиме прогревает все большие массы грунта. Так, для помещений с температурой внутренней среды 5 °С теплопотери по нормативной методике оказались завышены в 2 раза, а для теплых помещений бассейна, напротив, меньше в 1,6 раза, что обосновывает запас тепловой мощности, обычно принимаемый инженерами. Значения тепловых потерь подземной части, полученных двумя методиками, при средней температуре воздуха в помещениях ^=15 °С, отличаются не так значительно - по нормативной методике теплопотери меньше примерно на 10 %.

Исследование влияния теплофизических характеристик грунтов на величину теплопотерь представлены на рис. 4. Расчеты проводились при температуре воздуха в помещении равной 15 °С для двух типов грунта.

Окружающий здание массив грунта в первом варианте - суглинок, имеет тепло-физические характеристики, указанные ранее. Другой тип грунта - подзолистый, имеет плотность сухого грунта 1310 кг/м3, суммарная влажность грунта 0,1, температура промерзания влаги в порах грунта 0 °С, теплоемкость талого грунта 840

Из рис. 4а видно, что влияние типа грунта на значения теплопотерь проявляется относительно равномерно до глубины 4 м. Ниже разница в типе грунта проявляется слабее. так как расхождение в теплопроводности грунта незначительно, а процесс на этой глубине приближается к стационарному. Полученный результат отражает важность учета типа массива грунта в исследуемой задаче.

7/2011

ВЕСТНИК .МГСУ

а)

0,1 0,2 0,1 0,4

V 0,6 Вт/

Глубина, и

Глубина, н

В)

г)

0,2 0,4 0,6 0,8

Предшамад методика КПозонам

д)

е)

1 и У Вт/

НГредлагаемая методика КПозонам

Глубина, м

Рис. 3. Влияние температуры воздуха в помещении на теплопотери по глубине поперечной стены по грунту: а, б - при средней температуре помещений равной 5 °С; в, г - при средней температуре помещений 15 °С; д, е - при средней температуре помещений 25 °С;

а, в, д - сравнение теплопотерь, приведенных к значениям коэффициента теплопередачи, полученных расчетом по программе и «по зонам»; б, г, е - сравнение суммарных максимальных теплопотерь

Дж/(кгК), теплопроводность талого грунта 0,28 Вт/(мК), теплоемкость мерзлого грунта 665 Дж/(кгК), теплопроводность мерзлого грунта 0,34 Вт/(м К).

ВЕСТНИК МГСУ

7/2011

а)

« и к ш м и м от и и 1 Ш/(мг-"с;

б)

--ПсИХТЬн

Вт

Глубина.м

Рис. 4. Влияние типа грунта на теплопотери по глубине поперечной стены по грунту при средней температуре помещений равной 5 °С: а - сравнение теплопотерь, приведенных к значениям коэффициента теплопередачи, полученных расчетом по программе и «по зонам»; б - сравнение суммарных максимальных теплопотерь

Влияние промерзания и оттаивания грунта на величину теплопотерь представлено на графике рис. 5, где дано сравнение теплопотерь через заглубленную в грунт стену с учетом и без учета промерзания грунта. Исходные данные совпадают с данными предыдущих графиков, тип грунта - суглинок.

а)

б)

V № Ы 1 Ц

нС^ОИрннп

С п^^и^ин*«

тал «й йп жю> 1иво 1ввд заде Вт

Глубина,м

Рис. 5. Влияние промерзания грунта на теплопотери по глубине поперечной стены по грунту с учетом и без учета промерзания грунта при средней температуре помещений 5 °С: а - сравнение теплопотерь, приведенных к значениям коэффициента теплопередачи, полученных расчетом по программе и «по зонам»; б - сравнение суммарных максимальных теплопотерь

Взаиморасположение кривых на рис. 5 говорит о различном влиянии процессов замерзания и оттаивания грунта по глубине. В верхних слоях грунта это влияние значительнее, чем в нижних, т.к. процессы замерзания и оттаивания ближе к поверхности грунта происходят интенсивно, а ниже линии промерзания отсутствуют. Не смотря на это, изменения температурного поля грунта при учете процессов промерзания и

7/2011 ВЕСТНИК _7/2011_мгсу

оттаивания заметны и при большей глубине. Кроме того, наибольшие теплопотери стены в грунте приходятся именно на верхнюю часть, что свидетельствует о необходимости учета этих процессов в расчетах. Суммарное снижение максимальных тепловых потерь за счет учета промерзания и оттаивания грунта составили порядка 15 %.

ВЫВОДЫ

1. По мере развития подземного строительства все большую актуальность приобретает правильная оценка необходимой мощности его отопления. Предлагаемая методика расчета позволит подойти более обоснованно к определению теплопотерь заглубленных частей здания. Это важно, так как в современном строительстве весьма часто использование подземных автостоянок с температурой 5 °С, для которых в соответствии с нормативной методикой теплопотери значительно завышаются.

2. В расчетах теплопотерь через заглубленные части здания следует учитывать теплофизические характеристики грунта, а также процессы промерзания и оттаивания.

Литература

1. Е.Г.Малявина. Теплопотери здания.: справочное пособие/Е.Г.Малявина. - М.: АВОК-ПРЕСС, 2007. -144 с.

2. Е.Г.Малявина, Д.С.Иванов. Расчет трехмерного температурного поля грунта с учетом промерзания при определении теплопотерь. Вестник МГСУ, 2011.

Literature

1. E.G.Maljavina. Teplopoteri zdanija. spravochnoe posobie/E.G.Maljavina.-M.: AVOK-PRESS, 2007. - 144 s.

2. E.G.Maljavina, D.S.Ivanov. Raschet trekhmernogo temperaturnogo polya grunta s uchetom promerzaniya pri opredelenii teplopoter'. Vestnik MGSU, 2011.

Ключевые слова: теплопотери, подземная часть здания, грунт, промерзание грунта, трехмерное температурное поле, метод конечных разностей

Keywords: heat loss, building substructure, soil, frost penetration in soil, three-dimensional temperature pattern, finite difference method

e-mail: Малявина Елена Георгиевна emal@,list.ru Иванов Дмитрий Сергеевич v3ntrue@gmail.com