CC BY
9Научно-технический и производственный журнал
-------ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
Reports of the VI Academic reading "Actual issues of building physics"
УДК 378.14.01562:621.31-057.875
И.А. ЧЕРНЫШКОВА, доцент, Н.А. БУЗАЛО, канд. техн. наук (Buzalo_n@mail.ru), А.А. БУДКО, студент
Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) им. М.И. Платова (346400, г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132)
Формирование профессиональных компетенций студентов в области энергосбережения
Выполнено сравнение пакетов прикладных программ, предназначенных для теплотехнических расчетов ограждающих конструкций зданий. Выбор программ осуществлен по принципу доступности для студентов, обучающихся по строительным специальностям. При проектировании энергоэффективных ограждающих конструкций необходимо определять параметры теплопередачи с помощью расчетов двумерных или трехмерных температурных полей, что возможно при использовании программы Temper 3D. В расчетном комплексе Elcut возможно только двумерное моделирование. Пакет LIT Thermo Engineer позволяет определять теплозащитные характеристики ограждений, содержит редактируемые и пополняемые справочники ограждающих конструкций, материалов, элементов неоднородностей ограждающих конструкций, климатических параметров. Выпускник высшего учебного заведения должен обладать рядом профессиональных компетенций, в том числе владеть методами и средствами компьютерного моделирования с использованием универсальных и специализированных программно-вычислительных комплексов, стандартных пакетов автоматизации исследований.
Ключевые слова: теплотехнический расчет, энергоэффективные ограждающие конструкции, специализированные пакеты прикладных программ.
I.A. CHERNYSHKOVA, Docent, N.A. BUZALO, Candidate of Sciences (Engineering) (Buzalo_n@mail.ru), A.A. BUDKO, Student South-Russian State Polytechnic University (NPI) named after M.I. Platov (132, Prosveshenya Street, Novocherkassk, 346400, Russian Federation)
Formation of Professional Competences of Students in the Field of Energy Saving
The comparison of application program packages intended for thermotechnical calculations of enclosing structures of buildings is made. The selection of programs is made by the principle of accessibility for students training in construction professions. When designing energy efficient enclosing structures, it is necessary to determine the parameters of heat transfer with the help of calculations of two-dimensional or three-dimensional temperature fields, this is possible using the program Temper 3D. The calculation complex Elcut is only for two-dimensional simulation. The package LIT Thermo Engineer makes it possible to determine heat-protection characteristics of enclosures and contains editable and updated reference books about enclosing structures, materials, elements of heterogeneities of enclosing structures, climatic parameters. The graduate must have a number of professional competences, including knowledge of methods and means of computer simulation using universal and specialized software and computing systems, standard packages for automation of research.
Keywords: thermotechnical calculation, energy efficient enclosing structures, specialized packages of application programs.
Переход на новые образовательные стандарты высшего образования изменил подход к понятию качества подготовки специалиста. Происходит переориентация оценки результата образования от понятий «образованность», «общая культура» к понятию «компетентность». Проектирование и возведение зданий и сооружений в настоящее время невозможно без использования информационных технологий, требующих от инженера специальной подготовки [1]. Студенту необходимо предоставить уже на университетской скамье возможность использования передовых промышленных пакетов прикладных программ, в том числе и при проектировании энергоэффективных ограждающих конструкций [2, 3]. Для теплотехнических расчетов давно используют разнообразные программы: Base, SmartCalc, NormCAD, ROK '2011 и т. д. [4]. С введением СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий» величины, необходимые для подсчета приведенного сопротивления теплопередаче, следует определять с помощью расчетов двумерных или трехмерных температурных полей [5, 6].
62015 ^^^^^^^^^^^^^
Наиболее известные программы, позволяющие это сделать - Temper 3D и Elcut.
Программа Temper 3D (Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2006610359) для расчета температурного поля ограждающих конструкций использует метод конечных элементов (МКЭ). В качестве конечного элемента принимается восьмиузловой изопараметрический элемент с трилинейным распределением температуры. Результаты теплотехнического расчета могут быть представлены в виде цветных температурных полей (изотерм), полученных по любому сечению ограждающей конструкции.
Создается модель фрагмента ограждающей конструкции посредством определенного набора инструментов. Количество узлов сетки ограничено. В демонстрационную версию программы включено 5 тыс. узлов, в профессиональной версии пользователю отводится до 80 тыс. узлов. После создания модели задаются исходные данные расчета: внутренняя и наружная температура, коэффициенты теплоотдачи и теплопроводности материалов.
- 41
Доклады VI Академических чтений «Актуальные вопросы строительной физики»
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
Слой, материал Толщина слоя, м Плотность материала, кг/м3 Расчетный коэффициент теплопроводности материала, Вт/(м°С)
Однослойная кирпичная стена
Кладка из керамического кирпича 0,64 1800 0,81
Слой штукатурки 0,015 1800 0,93
Многослойная стеновая конструкция
Слой штукатурки 0,015 1800 0,93
Газобетон 0,3 400 0,15
Изоляция 0,13 145 0,048
Облицовочный кирпич 0,12 1800 0,81
Рис. 1. Температурное поле в программе Temper 3D
Производится предварительный расчет, по результатам которого можно выяснить значения температуры в любой точке конструкции. Для более точного расчета теплового поля (рис. 1) необходимо отправить модель на сервер разработчика, где выполняется расчет, и готовая модель отправляется пользователю.
Достоинства программы Temper 3D: не требуется больших затрат времени на освоение; реализована возможность анализа трехмерной модели, можно определить температуру в любой точке конструкции. Недостатки программы Temper 3D; интерфейс по созданию трехмерной модели фрагмента конструкции сложен для пользователя, много лишних манипуляций перед расчетом; ограничения бесплатной версии сводят программу к обычному теплотехническому калькулятору; отсутствует возможность автоматического составления отчета; для детального расчета необходим доступ в Интернет.
Тем не менее это одна из немногих программ на Российском рынке софта, способная строить трехмерные температурные поля.
Таблица 1
Раствор
Рис. 2. Геометрия узла для двух вариантов конструкции стены
Расчетный комплекс Elcut, основанный на МКЭ, предназначен для моделирования 2С температурных полей, решения задач стационарной и нестационарной теплопередачи. Как правило, интерес представляют распределение температуры, температурного градиента и теплового потока. Решая нестационарную тепловую задачу, можно проанализировать изменение температуры во времени.
Пакет Е1си может выполнять линейный и нелинейный температурный анализ в плоской и осесимметричной постановке. Формулировка задачи основывается на уравнении теплопроводности с граничными условиями радиационного и конвективного теплообмена.
Достоинства комплекса Elcut■. возможно вычисление различных интегральных значений на определенных пользователем линиях и поверхностях; распределение температуры может быть передано в задачу расчета механического напряженного состояния (совмещенная термоупругая задача) или в задачу расчета нестационарного теплового поля.
Недостатки расчетного комплекса Elcut■. демонстрационная версия ограничивает количество узлов сетки до 250, что не оставляет возможности рассчитать даже простое температурное поле; нет возможности построения трехмерных моделей; в связи с большим набором функций, программа достаточно сложна в освоении; нет возможности автоматического формирования отчета.
Расчет теплозащиты стен зданий является важным этапом проектирования. Через теплопроводные включения. межэтажные перекрытия, оконные откосы, балконные плиты, кронштейны крепления систем облицовки утеплителя и др. неотъемлемые элементы фасада - создаются дополнительные потоки теплоты, что в итоге приводит к увеличенным теплопотерям, которые на практике, как правило, не учитываются [7].
Дополнительные теплопотери приводят к снижению уровня теплозащиты. Следовательно, необходимо рассчитывать удельные дополнительные потоки теплоты через каждое теплопроводное включение [8, 9].
В рамках студенческой работы был выполнен расчет дополнительных теплопотерь через оконный откос для двух вариантов конструкции стены (рис. 2) с использова-
42
6'2015
Научно-технический и производственный журнал
Reports of the VI Academic reading "Actual issues of building physics"
Таблица 2
Однослойная кирпичная стена Многослойная современная конструкция
Мощность теплового потока в зоне оконного проема, QT, Вт/м
22,564 5,045
Мощность теплового потока через откос QrjmK, Вт/м
17,111 4,325
Тепловой поток через однородную конструкцию тех же размеров, Вт/м
33,694 6,815
Дополнительная плотность теплового потока, обусловленная теплопроводным включением, Qdon, Вт/м
5,981 2,555
Количество погонных метров расчетных участков оконных откосов Ь, приходящееся на расчетную площадь, м/м2
1,041 1,041
Дополнительная плотность теплового потока, обусловленная данным теплопроводным включением, Вт/м2
6,226 2,66
Доля дополнительных теплопотерь по глади конструкции ^Ал д- ед-
0,185 (18,5%) 0,39 (39%)
TT,
t*
I, ii
I 1С
1С if 14-a: ■i x
нием программного комплекса Elcut. Тип задачи - стационарная теплопередача.
Исходные данные для расчета: температура внутри помещения T1=+20°C; температура наружного воздуха T2=-32°C. Материалы узла представлены в табл. 1.
Требуется рассчитать удельные дополнительные потоки тепла через оконный откос для однослойной кирпичной стены и многослойной стеновой конструкции.
На рис 3. показаны температурные поля, полученные в комплексе Elcut в табл. 2; численные значения рассчитанных параметров.
Новый программный продукт (2014 г. выпуска) LIT Thermo Engineer (Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2014617857), разработанный на основе СП 50.13330.2012, может быть рекомендован для использования в учебном процессе, так как достаточно прост в освоении, результаты расчета представляются в удобном и наглядном виде.
Список литературы
1. Чернышкова И.А., Бузало Н.А. Проблемы внедрения информационных технологий при многоуровневой подготовке специалистов строительного профиля. Материалы Всерос. науч.-практ. конф. «Научно-методические основы двухуровневой системы образования (состояние, перспективы развития)». Москва. 5-8 ноября 2008. С. 176-183.
2. Выговский П.Н., Круглая Н.В., Бузало Н.А. Определение теплотехнических параметров главного корпуса ЮжноРоссийского государственного технического университета // Вестник МГСУ. 2012. Т. 2. С. 99-103.
3. Чернышкова И.А., Бузало Н.А., Григоров Н.И. Снижение теплопотерь наружной оболочки зданий исторической застройки с использованием инновационных материа-
Рис. 3. Температурное поле узла для двух вариантов конструкции стены: а — однослойная кирпичная стена; б — многослойная стеновая конструкция
Достоинства программы LIT Thermo Engineer, соответствует требованиям современной нормативной документации; выполняет расчеты, приведенного сопротивления теплопередаче фрагмента теплозащитной оболочки здания или любой выделенной ограждающей конструкции, параметров отопительного периода, требуемого сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции, удельной теплозащитной характеристики элементов или здания, нормируемой теплозащитной характеристики здания, коэффициентов удельных теплопотерь через узлы неоднородности ограждающих конструкций; выполняет нахождение теплового потока через ограждение и т. д. Пакет содержит редактируемые и пополняемые справочники ограждающих конструкций, материалов, элементов неоднородностей ограждающих конструкций, климатических параметров.
В требованиях к результатам освоения программы бакалавриата по направлению «Строительство» указывается, что выпускник должен обладать рядом профессиональных компетенций, в том числе владеть методами и средствами компьютерного моделирования с использованием универсальных и специализированных программно-вычислительных комплексов, стандартных пакетов автоматизации исследований. Это может быть достигнуто только в случае наличия таких комплексов в образовательных организациях и обеспечения свободного доступа к ним студентов.
References
1. Chernyshkova I.A, Buzalo N.A. Problems of introduction of information technologies in multilevel training of construction professionals and workers. Materials of the scientifically-practical conference. «Scientific and methodological basis for a two-tier system of education (state and prospects of development)». Moscow. 5-8 November 2008. MIKHIS, pp. 176-183. (In Russian).
2. Vygovskiy P.N., Kruglaya N.V., Buzalo N.A. Determination of thermal parameters of the main building of South-Russian State Technic University. Vestnik MGSU. 2012. Vol. 2, pp. 99-103. (In Russian).
3. Chernyshkova I.A, Buzalo N.A., Grigorov N.I. Reducing heat loss of the outer shell of buildings of historical buildings using innovative materials. Materials of the international
6'2015
43
Доклады VI Академических чтений «Актуальные вопросы строительной физики»
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
лов. Материалы международной научно-практической конференции «Проблемы экологической безопасности и энергосбережения в строительстве и ЖКХ». Кавала (Греция). 18-29 августа 2014. C. 127-130.
4. Туснина О.А. Программный комплекс для теплотехнического расчета строительных конструкций // Промышленное и гражданское строительство. 2014. № 4. С. 51-54.
5. Гагарин В.Г., Козлов В.В. О комплексном показателе тепловой оболочки здания // АВОК. 2010. № 4. С. 1-10.
6. Матросов Ю.А. Энергосбережение в зданиях. Проблема и пути ее решения. М.: НИИСФ, 2008. 496 с.
7. Гагарин В.Г., Дмитриев К.А. Учет теплотехнических не-однородностей при оценке теплозащиты ограждающих конструкций в России и в европейских странах // Строительные материалы. 2013. № 6. С. 14-16.
8. Гагарин В.Г., Козлов В.В., Неклюдов А.Ю. Учет теплопроводных включений при определении тепловой нагрузки на систему отопления здания. Материалы международной научно-практической конференции «Проблемы экологической безопасности и энергосбережения в строительстве и ЖКХ». Кавала (Греция). 18-29 августа 2014. C. 94-107.
9. Умнякова Н.П., Бутовский И.Н., Чеботарев А.Г. Из истории нормирования тепловой защиты зданий. Материалы международной научно-практической конференции «Проблемы экологической безопасности и энергосбережения в строительстве и ЖКХ». Кавала (Греция). 18-29 августа 2014. C. 108-126.
scientifically-practical conference «The problems of ecological safety and energy efficiency in construction and GKH». Kavala (Greece). 18-29 August 2014, pp. 127-130.
4. Tusnina O.A. Software package for the thermal analysis of building structures. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo. 2014. No. 4, pp. 51-54. (In Russian).
5. Gagarin V.G., Kozlov V.V., A composite indicator of thermal shell of the building. AVOK. 2010. No. 4, pp. 1-10. (In Russian).
6. Matrosov U.A. Energosberezhenie v zdaniyakh. Problema i puti ee resheniya [Energy saving in buildings. The problem and its solution]. Moscow: NIISF. 2008. 496 p.
7. Gagarin V.G., Dmitriev K.A. Accounting heat engineering heterogeneities when assessing the thermal protection of enveloping structures in Russia and European Countries. Stroiteinye Materialy [Construction Materials]. 2013. No. 6, pp. 14-16. (In Russian).
8. Gagarin V.G., Kozlov V.V., Nekludov A.U. Accounting of heat-conducting inclusions in determining the thermal load on the heating system of the building. Materials of the international scientifically-practical conference «The problems of ecological safety and energy efficiency in construction and GKH». Kavala (Greece). 18-29 August 2014, pp. 127-130.
9. Umniykova N.P., Butovskiy I.N., Chebotarev A.G. From the history of regulation of thermal protection of buildings. Materials of the international scientifically-practical conference «The problems of ecological safety and energy efficiency in construction and GKH». Kavala (Greece). 18-29 August 2014, pp.108-126.
_ШШЕСЗТШ
Дом, который производит больше энергии, чем потребляет
В Австралии представлен сборный дом Carbon Positive House архитектурной компании ArchiBlox, который помимо привлекательного внешнего облика, имеет более серьезное преимущество: множество впечатляющих экологически чистых технологий. Этот уютный коттедж площадью 74,3 м2 обеспечен благоприятный микроклимат при любых погодных условиях за счет корпуса с герметичной воздухонепроницаемой оболочкой. На крыше дома установлена солнечная панель, производящая большее количество энергии, нежели необходимо для комфортного проживания в доме.
Для максимального поступления солнечного света и тепла в непогоду разработчики решили покрыть от пола до потолка передний фасад дома стеклопакетами, что так же обеспечит возможность использования технологий пассивного дома. Иначе говоря, стандартные механические системы отопления и охлаждения в доме заменили на систему естественной вентиляции со встроенными в конструкцию дома трубами - вентиляционными каналами, по которым вытягивается прохладный воздух с южной стороны здания.
44| -
Дополнительную изоляцию постройке придает озелененная крыша, а для создания теневых зон и дополнительного охлаждения в летний сезон установлены ряды горшков с зеленой растительностью, напоминающие вертикальны сады, вошедшие в моду с недавних пор.
Внутри дом разделен на две зоны: буферную и жилую. На одной стороне находится терраса, застекленная двойными стеклопакетами, на другой расположены жилые помещения: столовая открытой планировки, кухня, спальня и ванная комната. От помещений общего назначения приватную зону отделяет модульная древесная перегородка. Интерьер украшают светлые панели из натуральной сертифицированной древесины и другие предметы, сделанные из нетоксичных материалов. Энергосберегающее сантехническое оборудование работает на переработанной дождевой воде. В настоящее время дом выставлен на городской площади Мельбурна.
По материалам www.vzavtra.net
^^^^^^^^^^^^^^ 62015
