Анализ основных научных теплофизических направлений АО "ЦНИИЭП жилища -институт комплексного проектирования жилых и общественных зданий" Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

------ЖИЛИЩНОЕ ---

СТРОИТЕЛЬСТВО

Научно-технический и производственный журнал

УДК 699.86

В.С. БЕЛЯЕВ, канд. техн. наук, ([email protected]), А.А. МАГАЙ, директор по научной деятельности, канд. арх. ([email protected]), Т.А. БОЛЬШАКОВА, ведущий конструктор

АО «ЦНИИЭП жилища — институт комплексного проектирования жилых и общественных зданий» (АО «ЦНИИЭП жилища»)

(127434, г. Москва, Дмитровское ш., 9, стр. 3)

Анализ основных научных теплофизических направлений АО «ЦНИИЭП жилища — институт комплексного проектирования жилых и общественных зданий»

Представлены примеры технических решений, методы расчетов элементов наружных ограждений с рекуперацией трансмиссионного и вентиляционного тепла и рекомендации по использованию полученных результатов применительно к тепло-эффективным наружным ограждениям, улучшающим тепловой и воздушный режим помещений. Дано четкое обоснование современного подхода к оценке влияния фильтрации наружного воздуха с отрицательной температурой к теплозащите зданий, заключающегося в количественном разделении воздухопроницаемости на поперечную, продольную и общую. Характеризуется система вентиляции с рекуперацией теплового потока (трансмиссионного и вентиляционного), представлена теория и методы расчетов теплопередачи наружных вентилируемых ограждающих конструкций с многократным движением воздуха.

Ключевые слова: фильтрация, теплопотери, движение воздуха, трансмиссионное тепло, вентиляционное тепло, теплопередача, воздухопроницаемость.

V.S. BELIAEV, Candidate of Sciences (Engineering), ([email protected]), A.A. MAGAY, Director for research, Candidate ofArchitecture ([email protected]), T.A. BOL'SHAKOVA, Leading Designer AO "TSNIIEP zhilishcha — Institute for Complex Design of Residential and Public Buildings (AO "TSNIIEP zhilishcha") (9, structure 3, Dmitrovskoe Hwy, 127434 Moscow, Russian Federation)

An Analysis of Main Scientific Thermo-physical Directions of AO "TSNIIEP zhilishcha — Institute for Complex Design of Residential and Public Buildings"

Examples of technical solutions, methods of calculations of elements of external enclosures with recuperation of transmission and ventilation heat and recommendations for the use results obtained for heat-efficient external enclosures which improve the thermal and air regimes of premises. A clear justification of modern approach to the evaluation of the impact of filtering outdoor air with negative temperature on the heat protection of buildings which is the quantitative division of air permeability into transverse, longitudinal, and total is made. The ventilation system with recuperation of heat flow (transmission and ventilation) is characterized; the theory and methods of calculations of heat transfer of external ventilated enclosing structures with multiple air movements are presented.

Keywords: filtration, heat losses, air movement, transmission heat, ventilation heat, heat transfer, air permeability.

Здание как энергетическая система формирует тепловой и воздушный режим (ТВР) помещений. При этом системы отопления и вентиляции наряду с наружными ограждениями играют решающую роль. Оптимизация ТВР должна иметь целью как экономию топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) и обеспечение требуемых параметров систем вентиляции, так и уменьшение влияния на загрязнение атмосферы.

Учитывая, что экономически нецелесообразно утеплять стены больше определенной величины, следует изыскивать пути получения энергоэкономичных конструкций нетрадиционными способами, например используя их как накопители тепла (массивные), гелиовоздухонагреватели, утилизаторы уходящего тепла и т. п.

Известно, что при установке герметичных окон со сте-клопакетами баланс между притоком и вытяжкой воздуха нарушается, вся эта система естественной вентиляции практически перестает работать.

44| -

Улучшению воздушного режима помещений и экономии тепла отвечает способ вентиляции помещений через наружные ограждения с выводом воздуха в помещение. Эффект такой вентиляции заключается в том, что холодный воздух, проходя вдоль наружного ограждения, нагревается и входит в помещение, возвращая часть теряемого тепла.

Теоретические основы строительной теплофизики зданий при поперечной фильтрации воздуха были заложены еще в 1970-1980-х гг. российскими учеными Ф.В. Ушковым, В.Н. Богословским, К.Ф. Фокиным. В дальнейшем [1] была разработана теория теплопередачи элементов наружных стен при многомерной (продольной) фильтрации воздуха.

При продольной фильтрации воздуха, фильтрующегося вдоль прослойки в помещение, возможен тепловой эффект, теоретическая постановка которого заключается в следующем.

В невентилируемом ограждении (окне, стене) суммарный расход тепла складывается из трансмиссионного те-

^^^^^^^^^^^^^ №'2016

Научно-технический и производственный журнал

General issues of construction

Q, Вт

70

60

50

40

30

20

10

\\ — \\ \\ ----- \\ - \ч '—---- 1

N. ч

3

1 1 1 1 \_2_ II

10

20

30

40

50 W, кг/ч

60

70

80 90

Рис. 1. Изменение теплового потока (по тепломерам), уходящего от наружной поверхности вентилируемого окна <2Ш, в зависимости от расхода воздуха вдоль воздушной прослойки: 1 — без тепло-отражающей пленки; 2 — при наличии теплоотражающей пленки в наружной прослойке при открытой на 10 мм внутренней форточке; 3 — то же, что в п. 2, при полностью открытой форточке

плового потока, выходящего через стену (окно) (0о), и затрат тепла на нагрев воздуха, требуемого для естественной вентиляции:

0С = 0о + с • ж • (еш - и.

где = 1п - расчетная температура наружного воздуха.

В вентилируемом(ой) окне (стене) суммарный расход тепла при фильтрации воздуха через стену (окно) (0°) складывается из входящего теплового потока (0°х) и дополнительных затрат тепла (0°) на нагрев инфильтрующегося воздуха от температуры выходящего воздуха (евых) до температуры внутреннего воздуха (ев):

0° = 0Вх + где 0° = с • ж• (ев - О.

Входящий тепловой поток можно выразить через выходящий тепловой поток:

QГ = QUT + Q

где 0° - теплозатраты на нагрев инфильтрующегося воздуха в межстекольном пространстве - экономайзерный эффект инфильтрации.

Основы экспериментальных и теоретических исследований наружных ограждающих конструкций, утилизирующих уходящее трансмиссионное (в том числе и радиационное) тепло, начаты впервые в лаборатории теплового и воздушного режима зданий ЦНИИЭП жилища. Получен обширный материал, подтверждающий эффективность таких конструкций.

Работы ведутся по разработке, исследованию и внедрению энергосберегающих конструкций, систем, в том числе с рекуперацией тепла и с учетом многомерной фильтрации воздуха, обеспечивающих экономию топливно-энергетических ресурсов (ТЭР).

Основные направления работы:

1. Рекуперация трансмиссионного и вентиляционного тепла.

2. Теплопередача через элементы наружных ограждений при многомерной фильтрации воздуха.

Работы ведутся с целью перехода от неуправляемой инфильтрации наружного воздуха к организованной регулиру-

емой подаче его через специальные приточные устройства при условии сохранения теплового комфорта. Это диктуется экономическими и гигиеническими соображениями (сокращение тепла, вызванного избыточной инфильтрацией, сопровождающей залповое проветривание через форточки и узкие створки, постоянное обеспечение свежим воздухом в соответствии с нормами).

В лаборатории теплового и воздушного режима АО «ЦНИИЭП жилища» для выявления теплового эффекта проводились испытания окон. При отсутствии и наличии металлизированной теплоотражающей пленки, которая располагалась с внутренней стороны наружного стекла. Использовалась металлизированная полиэтилен-тереф-латная (ПЭТФ) пленка, разработанная ОАО «Межотраслевой институт переработки пластмасс - НПО «Пластик» (Москва). Узкая створка, кроме того, имела стеклопакет и в наружном переплете.

Окно испытывалось как при наличии фильтрации вдоль прослойки, так и без нее. Для обеспечения продольной вентиляции и определения эффекта рекуперации открывалась внутренняя форточка (наружная была закрыта).

Температура в теплом отделении камеры равнялась температуре вне камеры. Найденные при отсутствии вентиляции приведенные сопротивления теплопередаче окон КГ составляли 0,65-0,7 м2-°С/Вт при отсутствии пленки и 0,95 м2-°С/Вт при ее наличии. Применение металлизированной пленки, по данным элекросчетчика, повышало (без вентиляции окна) сопротивление теплопередаче примерно в 1,4 раза.

Вентиляция воздушной прослойки при наличии теплоотражающей пленки существенно повышает условное сопротивление теплопередаче окна (по наружному тепломеру).

На рис. 1 показано изменение выходящего теплового потока (по наружному тепломеру и по электросчетчику) в зависимости от расхода воздуха через вентилируемую воздушную прослойку окна.

На рис. 1 показано, что с увеличением расхода воздуха в его диапазоне от 0 до 55 кг/ч (0 ~ 42 м3/ч) происходит существенное уменьшение выходящего теплового потока (с 45 до 10 Вт).

В натурных условиях проведены испытания вентилируемых панелей дома, построенного по проектным решениям лаборатории ТВР ЦНИИЭП жилища. Были изготовлены керамзито-бетонные трехслойные панели, которые были установлены на жилых домах. Стеновые панели представляют собой конструкцию со специальными каналами. Каналы соединяются с атмосферой в нижней части наружными отверстиями 150x150 мм, а с внутренней - в верхней части помещения отверстиями 150x200 мм. В местах ребер для соединения вертикальных и горизонтальных каналов имеются специальные устройства.

На основании проведенных натурных теплофизических исследований жилого дома можно сделать следующие выводы:

- температура нагрева воздуха, проходящего по каналам, изменяется в следующих пределах. В каналах по стене восточной ориентации е=35-38,7оС (при Ар=10 и 17 Па, 0=24,5 и 23,9 кг/ч) и в каналах по стене западной ориентации е=28-41оС (при Ар =3,9 и 2 Па, 0=7,9 и 5,2 кг/ч);

- при закрытом режиме вентиляционных устройств тепло-потери в помещениях экспериментальной квартиры больше, чем при открытом режиме вентиляционных устройств: в кухне - на 93,3 Вт (или 15,5%), а в трех комнатах - на 733,7 Вт (или 21,5%). В целом по квартире эта разница составляет

0

ц м .1

Научно-технический и производственный журнал

827 Вт (или 20,6%). Это свидетельствует о том, что при открытом режиме из каналов поступает воздух, подогреваемый за счет утилизации тепла, проходящего через панели;

- температура воздуха во входных отверстиях вентиляционных каналов, а также в самих каналах на разной глубине при закрытом режиме выше, чем при открытом. Температура воздуха, выходящего в помещение из приточных отверстий, равна при отсутствии регистров отопления 11,6оС при расходе воздуха до 21,2 кг/ч;

- дополнительный нагрев воздуха за счет тепла от стояков отопления, расположенных у выходных отверстий каналов, за период наблюдений составляет 6,6-8,3оС при расходе воздуха 15,6-18,3 м3/ч и температуре теплоносителя 55-70оС;

- тепловая эффективность предложенных устройств составляет в среднем 25,5% из сравнения эталонной и экспериментальной кухни; 6% - по экспериментальной комнате.

Эффект от предложенных решений в среднем составляет 16% экономии тепла. Исследования не ограничиваются только вопросами рекуперации трансмиссионного тепла. Не меньший интерес представляют исследования наружных ограждений с рекуперацией вентиляционного тепла.

На основе испытаний элементов наружных ограждений разработана конструкция окна (рис. 2) и теория расчета.

Ниже представлены результаты испытаний аналога этой конструкции (рис. 3, 4).

Из анализа рисунков следует, что при двойном движении воздуха в объеме 16,8 м3/ч при 4Й=-32°С и ^=20^ и коэффициентах теплопередачи Кв=8,25; Кр=11; Кн=10 Вт/(м2-оС) температура на расстоянии 1 м от входа составляет по вну-

Б

и

А-А

Рис. 3. Распределение осредненной температуры, приведенной к расчетным значениям 1„=-32оС и 1в=+20°С, на поверхностях окон при АР=0; 1—6 — поверхности стекла

Условные обозначения: 1, 2, 3, 4, 5, 6 - поверхность стекла;

--сечение А-А по наружной прослойке;

---------сечение Б-Б по внутренней прослойке

Б-Б

-32 -28-24-20-16 -12 -8 -4 0 4 8 12 16 20

-32 -28-24-20-16 -12 -8 -4 0 4 8 12 16 20

Рис. 2. Конструкция окна

Из помещения ■

В помещение

Рис. 4. Распределение температуры при расчетных значениях <н = -32оС и <в = +20"С на поверхностях стекол (1, 3, 4, 6) и в прослойках (1' и 4') при эксфильтрации через наружную прослойку (А) и инфильтрации через внутреннюю прослойку (Б), А.Раб=24 Па, №=16,5 м3/ч

Б

А-А

Б-Б

-32 -28-24-20-16 -12 -8 -4 0 4 8 12 16 20

-32 -28-24-20-16 -12 -8 -4 0 4 8 12 16 20 - №'2016

Б

А

А

А

А

Б

1

Научно-технический и производственный журнал

General issues of construction

тренней прослойке 8оС (от 0оС - нагрев), по наружной - 0оС (от 18оС - охлаждение).

Еще более интенсивная теплопередача отмечается в зоне входных и выходных отверстий: е(1)=0оС (нагрев от 0оС до 16оС); е(2)=-27,5оС (охлаждение от +18оС).

При дальнейшем анализе теплопередачи в вышеуказанных конструкциях следует остановиться на влиянии направления воздушных потоков в вентилируемых прослойках, имеющем принципиальное значение.

Основное содержание работы отражено в [1-8].

Решен ряд следующих задач теоретического и практического плана:

- разработаны конструкции и теория теплопередачи в элементах наружных ограждений при многомерной фильтрации воздуха, не имеющая аналогов;

- осуществляется внедрение запатентованных методов в нормативных документах и на практике в строительстве [2];

- конструкции, методика расчета и теория теплопередачи при многомерной фильтрации воздуха в вентилируемых стенах, при рекуперации трансмиссионного тепла;

- технические решения, экспериментальные исследования, осуществлено внедрение на строительных объектах

вентилируемых наружных ограждений (и окон) с рекуперацией трансмиссионного тепла [3], в том числе и радиационного (рис. 5, а);

- конструкции, методика расчета и основы теории многомерной теплопередачи в вентилируемых стенах при рекуперации в них и вентиляционного тепла [4, 5] (рис. 5, б);

- теоретически доказана возможность максимально исключить температурные колебания на внутренней поверхности вентилируемых наружных стен, что особенно актуально для южных регионов [6].

Не менее важным представляется и другое направление, разрабатываемое в институте.

Величина допустимого расхода воздуха через стык приводится в нормативной литературе независимо от его направления. При этом не указывалось, какая воздухопроницаемость имеется в виду - общая, продольная или поперечная. Как показали исследования, продольная воздухопроницаемость понижает температуру внутренней поверхности элемента ограждения меньше, чем поперечная.

Работа лаборатории теплового и воздушного режима зданий ЦНИИЭП жилища ведется в направлении иссле-

10

\v

, 14

А

/

f I

l___

0

/Г

Л\

И

I

12

Воздух

А

11

А-А

6

Холодный воздух

/ 9 6 V V V ■■■ / 13

12

Воздух

11

4---

12

Узел К

13

15 16 ■

Холодный воздух

5

Рис. 5. Оконный блок: а — с рекуперацией трансмиссионного теплового потока; б — с остекленной узкой створкой с рекуперацией трансмиссионного и вентиляционного тепловых потоков: 1 — широкая створка; 2 — узкая створка; 3 — вентилируемая прослойка; 4 — отверстия; 5 — импост; 6 — теплоотражающий экран или стекло с низкоэмиссионным селективным покрытием; 7, 10 — приточные отверстия; 8 — уплотняющие прокладки; 9 — наружная форточка; 11 — коробка; 12 — внутренняя форточка; 13 — воздушная вентилируемая прослойка; 14 — вытяжная щель; 15 — выходное отверстие; 16 — слив конденсата

а

7

2

7

2

8

------ЖИЛИЩНОЕ ---

СТРОИТЕЛЬСТВО

Научно-технический и производственный журнал

дования теплозащиты наружных стен с учетом всех видов фильтрации наружного воздуха, определенной экспериментально и теоретически.

Выполнены исследования влияния каждой составляющей расхода воздуха через элемент конструкции и дан соответствующий метод расчета с рекомендациями по учету полученных результатов для различных конструкций.

Определение величины поперечной (сквозной) воздухопроницаемости стыка по ГОСТ 25891-83 «Здания и сооружения. Методы определения сопротивления воздухопро-ницанию ограждающих конструкций» следует выполнять по определенной схеме. С наружной и внутренней сторон стыка устанавливаются рабочие обоймы, при этом исследование проводится при одновременной работе этих обойм. Наружная обойма работает переменно на давление и отсос, внутренняя - только на отсос.

Испытания проводятся в два цикла: первый - в наружной обойме вентилятором создается давление, а во внутренней - разрежение; второй - в обоих обоймах разрежение, разность давлений между обоймами равна нулю. Разность давлений замеряется микроманометрами, давление и разрежение в обоймах регулируется шиберами, расход воздуха измеряется счетчиками.

Так, например, исследования, проведенные специалистами АО «ЦНИИЭП жилища», показали, что общая воздухопроницаемость нижнего шва горизонтального стыка лоджии (под перекрытием) при ДР=1-6,6 мм вод. ст. (10-66 Па) составляет 37 кг/(мч); поперечная воздухопроницаемость 0,5 кг/м (легких навесных панелей).

Температура на внутренней поверхности этого шва при ДР =6,6 мм вод. ст. (66 Па) составляла в среднем 9,4оС, т. е. близка к допустимой. Общая воздухопроницаемость верхнего шва (над перекрытием) горизонтального стыка при 6,6 мм вод. ст. (66 Па) составила 13,2 кг/(мч) (сквозная (поперечная) воздухопроницаемость 5,8 кг/(мч).

Однако температура внутренней поверхности опускалась до -11 оС. Это объясняется тем, что величина сквозной (поперечной) воздухопроницаемости нижнего шва, за счет которой происходило основное понижение температуры внутреннего шва стыка, в 11 раз меньше сквозной (поперечной) воздухопроницаемости верхнего шва. Указанное выше иллюстрирует необходимость как практического, так и теоретического разделения обоих видов фильтрации.

Исследования стыков бетонных и легких навесных панелей по этой методике позволили количественно разделить общую воздухопроницаемость на поперечную (сквозную) и продольную. С целью определения достоверных данных о влиянии продольной и поперечной фильтрации на теплопередачу в элементах наружных ограждений была впервые решена краевая задача уравнения Лапласа:

F= Ей (An sin nx + Bn cos nx) e-ny.

На основе вышесказанного и выполненных работ следует, что теплозащитные качества элементов наружных ограждений следует оценивать с учетом всех видов воздухопроницаемости, в том числе поперечной, что позволяет избежать ошибок в оценке теплозащиты проектируемых и эксплуатируемых зданий [6-8].

На основе анализа работ следует, что оба научных направления основаны на теоретических и практических разработках, многие из которых имеют мировой приоритет.

Подписано в печать 20.07.2016 Формат 60х881/8 Бумага «Пауэр» Печать офсетная Общий тираж 4500 экз.

При этом экономический эффект от их внедрения может

составить 1 млрд р. в год при существенной экономии топливно-энергетических ресурсов.

Список литературы

1. Беляев В.С. Методики расчетов теплотехнических характеристик энергоэкономичных зданий. Москва: АСВ, 2016. 125 с.

2. Патент на полезную модель РФ 134652. Устройство для определения воздухопроницаемости стыкового соединения / Николаев С.В., Беляев В.С. Заявл. 19.06.2013. Опубл. 20.11.2013. Бюл. № 32.

4. Беляев В.С. Наружные ограждения с рекуперацией трансмиссионного и вентиляционного тепла // Жилищное строительство. 2013. № 12. С. 39-44.

5. Беляев В.С. Методики теплотехнических расчетов наружных ограждений с рекуперацией трансмиссионного и вентиляционного теплового потока // Жилищное строительство. 2014. № 1-2. С. 21-26.

6. Беляев В.С. Теория угасания температурных колебаний при прохождении их через наружные стеновые панели // Жилищное строительство. 2013. № 9. С. 34-36.

7. Беляев В.С. Теплопередача в стыках наружных стен крупнопанельных зданий при двухмерной фильтрации воздуха // Жилищное строительство. 2013. № 7. С. 16-20.

8. Беляев В.С. Инженерный метод расчета стыков наружных ограждений панельных зданий с учетом фильтрации воздуха // Жилищное строительство. 2014. № 12. С. 41-45.

References

1. Belyaev V.S. Metodiki raschetov teplotekhnicheskikh kharakteristik energoekonomichnykh zdanii. [Techniques of calculations of heattechnical characteristics of energy-efficient buildings]. Moscow: ASV, 2014. 125 p. (In Russian).

2. Patent RF 134652. Ustroistvo dlya opredeleniya vozdukhopronitsaemosti stykovogo soedineniya [The device for determination of air permeability of butt connection]. Nikolaev S.V., Belyaev V. S. Declared 6.19.2013. Published 11.20.2013. Bulletin No. 32. (In Russian).

4. Belyaev V.S. External protections with recovery of transmission and ventilating heat. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2013. No. 12, pp. 39-44. (In Russian).

5. Belyaev V.S. Techniques of heattechnical calculations of external protections with recovery of a transmission and ventilating thermal stream. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2014. No. 1-2, рр. 21-26. (In Russian).

6. Belyaev V.S. The theory of fading of temperature fluctuations at their passing via external wall panels. Belyaev V. S. The theory of fading of temperature fluctuations at their passing via external wall panels. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2013. No. 9, pp. 34-36. (In Russian).

7. Belyaev V.S. A heat transfer in joints of external walls of large-panel buildings at a two-dimensional filtration of air. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2013. No. 7, pp. 16-20. (In Russian).

8. Belyaev V.S. Engineering Method of Calculation of Joints for Panel Buildings External Enclosing Structures with Due Regard for Air Filtration. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2014. No. 12, рр. 41-45. (In Russian).

Набрано и сверстано в РИФ «Стройматериалы»

Верстка Д. Алексеев, Н. Молоканова

Отпечатано в ООО «Полиграфическая компания ЛЕВКО» Москва, Холодильный пер., д. 3, кор. 1, стр. 3