CC BY
6
СТРОИТЕЛЬСТВО. АРХИТЕКТУРА
DOI: 10.53078/20778481_2023_2_144 УДК 621.1.016
М. А. Шкильнюк, Д. В. Иванов
АНАЛИЗ ТЕПЛОВОГО ПОТОКА В ОГРАЖДАЮЩЕЙ КОНСТРУКЦИИ
M. A. Shkilniuk, D. U. Ivanou
ANALYSIS OF HEAT FLOW IN THE BULDING ENVELOPE
Аннотация
Проведены исследование и анализ теплового потока в ограждающей конструкции. Даны результаты фактических и теоретических значений теплотехнических характеристик. Приведены основные проблемы, возникающие при теплотехническом расчете.
Ключевые слова:
тепловой поток, теплотехнические характеристики, плотность теплового потока, теплотехника.
Для цитирования:
Шкильнюк, М. А. Анализ теплового потока в ограждающей конструкции / М. А. Шкильнюк, Д. В. Иванов // Вестник Белорусско-Российского университета. - 2023. - № 2 (79). - С. 144-152.
Abstract
A study and analysis of the heat flow in the enclosing structure have been carried out. The results of actual and theoretical values of thermo-technical characteristics are given. The main problems arising in the thermo-technical calculations are presented.
Keywords:
heat flow, thermos-technical characteristics, heat flow density, heat engineering.
For citation:
Shkilniuk, M. A. Analysis of heat flow in the bulding envelope / M. A. Shkilniuk, D. U. Ivanov // Belarusian-Russian University Bulletin. - 2023. - № 2 (79). - P. 144-152.
Введение
Динамические тепловые характеристики внешних стеновых конструкций напрямую связаны с температурным комфортом в помещениях. Упрощенные методы расчета, изложенные в нормативных документах, без дополнения аналитической оценки не обеспечивают полноту проводимых расчетов, а лишь
© Шкильнюк М. А., Иванов Д. В., 2023
содержат обобщенные, зачастую укрупненные значения и показатели, не привязанные к конкретному объекту. При этом моделирование в обязательном порядке включает в себя применение специализированных программ, позволяющих провести оценку рисков, аналитическую предиктивную оценку на конкретном объекте, основанную на искусственном интеллекте, современных технологиях и
методах расчета [1, 2].
Цель исследования заключалась в сравнении фактических и теоретических теплотехнических значений.
Изучение тепловых характеристик ограждающих конструкций может помочь с выбором рационального решения по утеплению зданий, что повлечет за собой экономию как на материалах, так и на затратах энергии для поддержания комфортных условий в зданиях и сооружениях [3].
Проведение исследования
Было проведено исследование ограждающей конструкции здания корпуса № 5 Белорусско-Российского университета, расположенного по адресу г. Могилев, ул. Ровчакова, д. 7.
В рамках исследования был применен измеритель плотности теплового потока и температуры ИТП-МГ 4.03/10(1) «ПОТОК» (рис. 1). Данный прибор предназначен для измерения плотности
теплового потока, проходящего через теплообменные поверхности теплоэнергетических объектов, а также температуры таких поверхностей и окружающих их газообразных и сыпучих сред.
Принцип действия, положенный в основу работы данного прибора, заключается в измерении термоЭДС контактных термоэлектрических датчиков теплового потока и сопротивления датчиков температуры.
Плотность теплового потока q вычисляется по формуле
q = К ■ Е,
где К - коэффициент преобразования, Вт/(м2-мВ); Е - величина термоэлектрического сигнала, мВ.
Для получения данных были расположены четыре датчика температуры и три датчика измерения плотности теплового потока (рис. 2 и 3).
Рис. 1. Измеритель плотности теплового потока
3000
/ / у 1000 / 1000 1000 /
/ / /
\ \ о о см \ о о см
Датчик / Температуры Датчик [ Температуры
3000
Рис. 2. Схема расположения датчиков температуры на наружной поверхности стены
3Q00
1000 500 500 1000
ч ч / ,■
О о (AI \ ш 1 Датчики 1 Теплового потока 1000 о о (N \
ч Датчик Температуры 1000 у Ч Датчик Температуры 1000
ч /
3000
Рис. 3. Схема расположения датчиков температуры и датчиков теплового потока на внутренней поверхности стены
Исследование проводилось 2 ч с интервалом измерений 2 мин. Температура внутри помещения составляла 12 °С,
снаружи помещения - 19 °С. В результате было получено 60 значений, приведенных в табл. 1.
Табл. 1. Результаты измерения прибора ИТП-МГ4.03/10(1) «ПОТОК»
Номер измерения q1, Вт/м2 q2, Вт/м2 q3, Вт/м2 t1, °с t2, °с t3, °с t4, °C
1 12 14,3 10,6 17,5 18,7 13,8 13,8
2 11 10,7 9 17,5 18,5 13,8 13,8
3 10 13,1 9 17,5 18,4 13,8 13,8
Продолжение табл. 1
Номер измерения q1, Вт/м2 q2, Вт/м2 q3, Вт/м2 (1, °с (2, °С (3, °с (4, °С
4 10,5 11,8 9,9 17,4 18,4 13,8 13,8
5 10,6 11,2 9,4 17,4 18,3 13,8 13,8
6 10,2 11,8 9,2 17,4 18,3 13,8 13,8
7 9 10,3 8,3 17,4 18,3 13,8 13,8
8 9 9,8 8 17,5 18,3 13,8 13,8
9 8,7 10,4 8,3 17,4 18,3 13,8 13,8
10 10,1 10,7 9,1 17,4 18,2 13,8 13,8
11 8,9 11 8,9 17,5 18,2 13,8 13,8
12 8,7 10,3 7,9 17,5 18,3 13,8 13,8
13 8,8 10,6 9 17,4 18,2 13,8 13,8
14 9,5 10,9 9,4 17,5 18,2 13,8 13,8
15 9,5 11 9 17,4 18,2 13,8 13,8
16 9,2 11,4 8,8 17,4 18,2 13,8 13,8
17 9,3 11,1 9,4 17,5 18,3 13,8 13,8
18 8,4 10 8,5 17,4 18,2 13,8 13,8
19 9,6 11,5 9 17,4 18,1 13,8 13,8
20 10,9 11,8 10 17,5 18,2 13,8 13,8
21 10,5 11,4 9,8 17,4 18,1 13,8 13,8
22 12 11,9 10,5 17,4 18,1 13,8 13,8
23 9 10,6 8,5 17,4 18,1 13,8 13,8
24 9,7 10,5 9,1 17,5 18,2 13,8 13,8
25 9,9 11 9,4 17,5 18,2 13,8 13,8
26 10,4 11,2 10 17,5 18,3 13,8 13,8
27 11,1 13,1 11,2 17,6 18,4 13,8 13,9
28 9,4 11,5 9,8 17,7 18,4 13,8 13,9
29 9,3 11,2 9,3 17,6 18,4 13,8 13,9
30 10,4 11,7 10,8 17,6 18,4 13,9 13,9
31 11,1 12,1 10,6 17,6 18,4 13,9 13,9
32 11,1 12,7 10,3 17,7 18,5 13,9 13,9
33 11 12,2 10,6 17,8 18,5 13,9 13,9
34 10 12,3 10 17,8 18,6 13,9 13,9
35 10,8 11,7 11,2 17,9 18,6 13,9 13,9
36 10,1 11,6 9,8 17,8 18,5 13,9 13,9
37 11,7 12,9 11,4 17,9 18,6 13,9 13,9
38 10,3 11,7 11,1 17,9 18,6 13,9 13,9
39 11,3 11,8 10,5 17,9 18,6 13,9 13,9
40 9,8 11,8 9,9 17,9 18,6 13,9 13,9
Окончание табл. 1
Номер измерения q1, Вт/м2 q2, Вт/м2 q3, Вт/м2 t1, °с t2, °C t3, °с t4, °C
41 10,3 11,6 9,6 17,9 18,5 13,9 13,9
42 10 11,2 9,8 18 18,6 14 14
43 12,1 12,9 10,8 18 18,7 14 14
44 9,9 11,8 9,6 18 18,7 14 14
45 9,7 11,2 9,7 17,9 18,6 14 14
46 9,6 11,3 8,3 17,8 18,5 14 14
47 10,3 12,4 10,8 17,8 18,5 14 14
48 10,9 12,7 11,7 17,8 18,5 14 14
49 11,2 14,5 12,2 17,8 18,4 14 14,1
50 11,5 11,1 9,2 17,7 18,4 14 14,1
51 9,6 10,8 8,9 17,7 18,3 14 14
52 8,9 10,3 8,3 17,6 18,2 14 14,1
53 10,9 12,3 10,4 17,7 18,4 14 14,1
54 10,8 12,2 10,6 17,8 18,5 14 14,1
55 10,8 12,1 10,3 17,8 18,5 14 14,1
56 9,3 11,3 9 17,9 18,6 14 14,1
57 10,9 14,8 12,6 18 18,7 14,1 14,1
58 11,7 13,1 10,9 18,1 18,8 14,1 14,1
59 12,1 12,8 11,3 18,1 18,8 14,1 14,1
60 10,4 11,5 10 18,1 18,8 14,1 14,1
По результатам измерений были По результатам измерений был
построены графики температуры внутри построен график изменения плотности
помещения и снаружи (рис. 4 и 5). теплового потока в течение 2 ч (рис. 6).
и
о
й &
^
н
(Й &
(U (U
Н
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 Время, мин
Рис. 4. График изменения температуры на наружной поверхности стены
и
(Й &
н
(Й &
(и Н
14,15 14,1 14,05 14 13,95 13,9 13,85 13,8 13,75 13,7 13,65
10 20 30 40 50 60 70 Время, мин
80 90 100 110 120
Рис. 5. График изменения температуры на внутренней поверхности стены
РЭ
14
12 10
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59
Количество измерений
Рис. 6. График изменения плотности теплового потока
Было получено среднее значение теплового потока, равное 10,57 Вт/м2.
Проведение теоретического расчета
Для проведения теоретического расчета было использовано программное обеспечение Ansys. Была построена модель участка стены, соответствующая по размерам и параметрам участку исследования.
Методом конечных элементов мо-
дель стены была разбита на 9600 элементов и для каждого из них был проведен теплотехнический расчет (рис. 7).
Был проведен динамический расчет теплотехники смоделированной стены. Время, заданное для моделирования, - 2 ч (рис. 8).
На рис. 9 представлен результат моделирования стены на момент окончания моделирования (2 ч). Полученное значение плотности теплового потока равно 9,5038 Вт/м2.
Рис. 7. Конечно-элементная модель стены
Рис. 8. Распределение температуры внутри стены
Рис. 9. Распределение плотности теплового потока в стене
Тепловой поток через участок ограждающей конструкции определяют по результатам расчета температурного поля по формуле
2 = ав ■ 0в - (в.п ) ■ А ,
где (в, 1в.п - температура внутреннего воздуха и температура внутренней поверхности соответственно, °С; Л1 - площадь участка ограждающей конструк-
2
ции, м .
(2 = 8,7 ■ (12-13,6) ■ 3 = -41,76 Вт.
Знак «минус» означает, что направление теплового потока направлено в другую сторону. При ручном расчете плотность теплового потока равна 13,92 Вт/м2 [4, 5].
Сравнение фактических и теоретических данных
В теоретическом расчете было получено значение плотности теплового потока, равное 9,5038 Вт/м2. Фактически было получено значение плотности теплового потока, равное 10,57 Вт/м2. По ручному расчету, которым пользуются в конструкторской деятельности при проектировании зданий, получили значение 13,92 Вт/м2. Сравнительный анализ приведен в табл. 2.
После анализа полученных значений можно сказать, что износ здания влияет на значение теплотехнических характеристик и при расчете таких зданий необходимо введение поправочного коэффициента.
Также значение, полученное при ручном расчете, оказалось слишком велико, что может привести к перерасходу
Заключение
Было проведено исследование, в результате которого получены следующие результаты.
1. Упрощенный теплотехнический расчет приводит к последующему упрощенному конструированию тепловой защиты зданий и сооружений. Это выражается в нерациональном запасе закладываемого утеплителя, что приводит к увеличению стоимости строительства и наличию ошибок при проек-
материалов и, как следствие, повышению стоимости здания.
тировании.
2. Использование программного обеспечения позволяет проводить подбор тепловой защиты зданий и сооружений без ошибок на этапе проектирования.
3. По результатам исследования было получено, что теплотехнические характеристики зданий и сооружений со временем ухудшаются. Для качества их машинного расчета необходимо введение поправочного коэффициента.
Табл. 2. Сравнительный анализ полученных результатов
Номер Способ проведения Значение теплового потока Q, Вт Значение плотности теплового потока q, Вт/м2 Процентное соотношение получившихся результатов от фактического
1 Фактические значения 31,71 10,57 100 %
2 Ручной расчет 41,76 13,92 131,7 %
3 Расчет в Ansys 28,51 9,5038 89,8 %
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. EPBD. On the energy performance of buildings // Official Journal of the European Union. - 2010.
2. Dixon, W. The impacts of construction and the built environment / W. Dixon // Briefing Notes, Will-mott-Dixon Group. - 2010.
3. Poel, B. Energy performance assessment of existing dwellings / B. Poel, G. van Cruchten, C. A. Balaras // Energy and Buildings. - 2007. - Vol. 39, № 4. - Р. 393-403.
4. СП 2.04.01-2020. Строительная теплотехника. - Минск: Минстройархитектуры, 2020. - 72 с.
5. Ульянцев, Ю. Н. Основы теплотехники / Ю. Н. Ульянцев, С. Ф. Вольвак. - Майский: Белгород. гос. аграрный ун-т им. В. Я. Горина, 2020. - 92 с.
Статья сдана в редакцию 2 мая 2023 года
Максим Александрович Шкильнюк, магистр, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, аспирант, Белорусско-Российский университет. Тел.: +375-298-48-98-94. Дмитрий Владимирович Иванов, магистрант, Белорусско-Российский университет. Тел.: +375-298-14-13-66.
Maksim Alexandrovich Shkilniuk, Master Sc. (Tech.), Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University, post-graduate student, Belarusian-Russian University. Tel.: +375-298-48-98-94.
Dzmitriy Uladzimirovich Ivanou, master's degree student, Belarusian-Russian University. Tel.: +375-298-14-13-66.
