Аспекты теплотехнического расчета легких ограждающих конструкций

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. теплотехнический фильтрация температура

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; л(Т) - коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К); q - удельная мощность тепловыделения, Вт/м²; с(Т) - удельная теплоемкость, Дж/(кг·К); с - плотность материала, кг/м³.

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:

где с - удельная теплоемкость материала ограждения, Вт·ч/(кг·°С); с - плотность материала ограждения, кг/м³; л - коэффициент теплопроводности материала, Вт/(м·°С); с_в - удельная теплоемкость воздуха, Вт·ч/(кг·°С); W - количество фильтрующегося воздуха, кг/(м²·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:

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

где t_x - температура в любой плоскости ограждения, °С; t_н, t_в - температура наружного и внутреннего воздуха, °С; R_x - термическое сопротивление ограждения от наружного воздуха до рассматриваемой плоскости при отсутствии фильтрации воздуха, м·°С/Вт; R_о - сопротивление теплопередаче всего ограждения при отсутствии фильтрации воздуха, м²?°С/Вт; W -?количество фильтрующегося воздуха, кг/(м²·ч).

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

Объектом исследований являлся двухэтажный коттедж.

Таблица 1. Характеристики материалов ограждения

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/м². 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 . 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 22,3^оС, а относительная влажность внутреннего воздуха составляла 24,2 %. Температура наружного воздуха на момент обследования составляла минус 8,6^оС. В местах расположения вертикальных и горизонтальных брусков имеются зоны пониженных температур (до 18,7^оС), 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 (4^оС) между температурой внутреннего воздуха (22,3^оС) и внутренней поверхности стены (19^оС). 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 7,2^оС (СНиП 23-01-99).

Для сравнения фактических полей распределения температур был выполнен расчет данной конструкции в программе Elcut 6.1. При выполнении расчета теплопроводность материала дерева была принята равной 0,457 Вт/м·^оС при влажности материала дерева не более 30% [3].

Значения расчетных температур на внутренней поверхности ограждения были получены при температуре наружного воздуха равной минус 8,6^оС и температуре внутреннего воздуха равной 22,3^оС. 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 38^оС (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 38^оС, внутреннюю 20^оС. Также был выполнен расчет распределения температур по сечению ограждающей конструкции. Расчетная температура внутренней поверхности, полученная по формуле (2) прил. 7 (ГОСТ 26254-84) составила 13,45^оС. 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 (7^оС) 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/м³ при отрицательных температурах теплопроводность составит 0,292 Вт/м·^оС. 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/(м²·ч).

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.