CC BY
117
УДК 699.86
АНАНЬИН М. Ю. ВЕДИЩЕВА Ю. С.
Многофакторное численное исследование теплотехнических свойств сэндвич-панелей вертикальной разрезки
Ананьин
Михаил
Юрьевич
кандидат технических наук, доцент кафедры архитектуры УрФУ
e-mail: botan1@inbox.ru
Ведищева
Юлия
Сергеевна
старший преподаватель Строительного института УрФУ
e-mail: botan1@inbox.ru
В статье представлены результаты исследования теплотехнических свойств ограждающих конструкций из стеновых сэндвич-панелей вертикальной разрезки. Приведено уравнение для расчета приведенного сопротивления теплопередаче наружного ограждения из сэндвич-панелей. Даются результаты оценки санитарно-гигиенических параметров микроклимата помещений с ограждающими конструкциями из сэндвич-панелей.
Ключевые слова: сэндвич-панель, теплотехнический расчет, температура точки росы, приведенное сопротивление теплопередаче конструкции, коэффициент теплотехнической однородности, ограждающая конструкция.
ANANYIN M. Y.
VEDISCHEVA Y. S.
MULTIPLE-FACTOR NUMERICAL RESEARCH OF HEAT ENGINEERING PROPERTIES SENDWICH PANELS OF VERTICAL POSITION
This paper presents results of research heat engineering properties for external walls of sandwich panels. In results numerical research equation of modified thermal resistant was obtained. Was produced estimate sanitary and hygienic parameter of indoor climate for area with external walls of sandwich panels.
Keywords: sandwich panel, thermotechnical calculation, dewpoint temperature, modified thermal resistant, external wall.
Разработка энергоэффективных и энергосберегающих конструкций и технологий в строительстве относится к приоритетным направлениям науки и техники. Повышение энергетической эффективности зданий возможно за счет снижения уровня затрат на отопление и вентиляцию посредством увеличения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций здания по отношению к базовому уровню. Этих целей можно достичь, уменьшив влияние возможных «мостиков холода» на их общее сопротивление теплопередаче.
В широко используемых в последнее время сэндвич-панелях такими «мостиками холода» с наибольшим влиянием являются элементы крепежа панели к ветровым ригелям или колоннам каркаса здания — болты или самонаре-зающие винты. Элементы крепления, обладая гораздо меньшим коэффициентом теплопро-
водности в сравнении с утеплителем панели, приводят к возникновению теплотехнической неоднородности ограждающей конструкции. Наличие теплопроводных включений снижает долговечность и надежность эксплуатации конструкции. Оценка теплотехнического состояния современных сэндвич-панелей является актуальной задачей.
В работе [1] авторами рассматривались некоторые вопросы энергосбережения сэндвич-панелей с плоскими металлическими обшивками и эффективным утеплителем между ними. В данной статье представлены результаты исследований теплотехнических свойств ограждающих конструкций из сэндвич-панелей.
Заводы-изготовители в России производят стеновые сэндвич-панели с плоскими и профилированными металлическими обшивками, между которыми заключен эффективный минераловатный, пенополиуретановый либо
Иллюстрация 1. Участок глухой стены на стыке четырех сэндвич-панелей:
1 — верхняя и нижняя обшивки сэндвич-панели; 2 — утеплитель; 3 — самонарезаю-щий винт; 4 — фрагмент стенового ограждения, принятый для исследования
пенополистирольный утеплитель. Панели выпускаются шириной 1000 и 1190 мм, длина выпускаемых панелей возможна до 9000 мм. Для крепления панели к каркасу используются самонарезающие винты диаметром от 5,5 мм или болты М8. Наружные обшивки панели изготавливаются из стали марок 08Ю, 08пс, 08кп. Для производства само-нарезающих винтов используют европейскую сталь марки 1022 и 1018 или российские аналоги стали марок 20Г, 22К, 15.
Задачей статьи является оценка влияния термических неоднородностей на теплотехнические свойства наружного ограждения. Для этого необходимо решение уравнения регрессии для приведенного сопротивления теплопередаче наружного ограждения, проверка возможности выпадения конденсата на внутренней поверхности стенового ограждения, проверка соответствия температурного перепада между внутренней поверхностью ограждающей конструкции и температурой внутреннего воздуха в помещении действующим нормам. Для достижения поставленных целей проведено численное исследование по методу полного многофакторного анализа.
Рассматривалась сэндвич-панель шириной 1000 мм и длиной 6000 мм, толщина наружных обшивок 0,5 мм, толщина утеплителя 150 мм. Для расчета принят участок глухой стены на стыке четырех панелей. Ширина рассматриваемого участка 1000 мм, длина 6000 мм (Иллюстрация 1). Так как исследовались только теплотехнические свойства панели, то для расчета принята панель с плоскими металлическими обшивками, ориентация волокон утеплителя относительно наружных слоев панели в данном исследовании не учитывалась.
По результатам оценки значимости факторов влияния в качестве варьируемых параметров при планировании многофакторного эксперимента были приняты следующие факторы: диаметр самонарезающих винтов (й ), продольный (В1) и поперечный (В2 ) шаг самонарезающих винтов
и коэффициент теплопроводности утеплителя (1 ут ). Толщина и форма обшивок, коэффициент теплопроводности материала обшивок приняты как малозначительные параметры и не варьировались. Толщина утеплителя и температуры наружного и внутреннего воздуха не варьировались как взаимосвязанные параметры. С учетом результатов предварительного исследования [1] составлена матрица планирования эксперимента (Таблица 1).
При проведении численного эксперимента для моделирования сэндвич-панели с теплопроводными включениями утеплитель рассматривался как однородный материал с варьируемым коэффициентом теплопроводности от 0,03 до 0,05 Вт/(м-К), удельной теплоемкостью 0,84 Дж/(кг-К), плотностью 110 кг/м3. Для упрощения сетки конечных элементов и возможности разбиения расчетной модели на конечные элементы четырехугольной формы резьба крепежа не моделировалась, а сами самонарезающие винты моделировались прямоугольными в плане. Диаметр крепежных элементов варьировался от 5 до 8 мм, коэффициент теплопроводности самонарезающих винтов принят 44,5 Вт/(м-К), плотность 7871 кг/м3. Материал металлических обшивок
принят со следующими характеристиками: коэффициент теплопроводности 58 Вт/(м-К), удельная теплоемкость 482 Дж/ (кг-К), плотность 7871 кг/м3.
Исследование велось с помощью конечно-элементного программного комплекса ANSYS. Для моделирования задачи использовался 8-узловой тепловой твердотельный элемент SOLID 70. Элемент имеет одну степень свободы в каждом узле — температуру. Модель строилась при помощи булевых операций [2]. Модель разбита на конечные шестигранные sweep-элементы размером 0,014 м.
Граничным условием является конвекция, приложенная по плоскости (convection on areas). Для наружной обшивки приняты следующие параметры окружающей среды: коэффициент теплоотдачи (film coefficient) 23 Вт/(м3-К), температура окружающей среды (bulk temperature) 238К. Параметры для внутренней обшивки панели: коэффициент теплоотдачи (film coefficient) 8,7 Вт/ (м3-К), температура окружающей среды (bulk temperature) 293К.
В программном комплексе ANSYS вычислялось температурное поле конструкции, затем результаты обрабатывались в программе Excel с представлением их в графической и табличной форме. Из полученных при расчете значений температуры в узлах сетки конечных элементов выделялись значения температуры на наружной (text ) и внутренней ( tint ) поверхности конструкции, затем вычислялись их средние значения text и тм соответственно. Далее вычислялись плотности теплового потока в направлении к наружной поверхности конструкции
Таблица 1. Матрица планирования эксперимента у = 24
-1 0 +1 A
XJ = d 5,0 6,5 8,0 1,5
х2 = в 300 400 500 100
X3 = B2 1500 3750 6000 2250
X4 = ^ ym 0,03 0,04 0,05 0,01
Таблица 2. Результаты многофакторного эксперимента
№ п/п d , мм Bj , мм В2 , мм lm , Вт/(м-К) Я», , (м^К)/Вт , (м^К)/Вт
1 5 300 1500 0,03 3,948 4,053
2 5 300 1500 0,05 2,665 2,723
3 5 500 1500 0,03 4,268 4,337
4 5 500 1500 0,05 2,800 2,844
5 5 300 6000 0,03 4,338 4,388
6 5 300 6000 0,05 2,825 2,868
7 5 500 6000 0,03 4,627 4,653
8 5 500 6000 0,05 2,938 2,975
9 8 300 1500 0,03 3,695 3,755
10 8 300 1500 0,05 2,549 2,589
11 8 500 1500 0,03 4,078 4,128
12 8 500 1500 0,05 2,717 2,755
13 8 300 6000 0,03 4,328 4,345
14 8 300 6000 0,05 2,818 2,850
15 8 500 6000 0,03 4,545 4,544
16 8 500 6000 0,05 2,905 2,931
( ) и к внутренней поверхности
конструкции ( дш ) по формулам [3]:
qext — aext • (Text - tea); qint = aint • (tint - Tint) ■
(1)
(2)
где аех1 и аш — коэффициенты теплоотдачи наружной и внутренней поверхностей ограждающей конструкции; texl и 4,( — наружная и внутренняя температуры воздуха.
Сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции вычислялось по формулам [3]:
t — t
’’тП* * ^
R
Vex
q,n
(3)
(4)
ния регрессии зависимости более высокого порядка, обусловленные взаимодействием факторов влияния, получаем следующее уравнение для расчета приведенного сопротивления теплопередаче на участке глухой стены:
КР =
= 5,9 - 32 • \0-Ч +10-3 В, + (5)
+0,07• 10-3В2 - 72,563•Х.
Результаты вычислений представлены в Таблице 2.
На основании результатов численного эксперимента получено уравнение регрессии для расчета приведенного сопротивления теплопередаче наружного ограждения на участке глухой стены.
По полученным данным составлены графики зависимости Япр = / (й);
К = / (В); КР = / [\т) (Иллюстрация 2). По графикам видно, что зависимости между сопротивлением теплопередаче и варьируемыми параметрами близки к линейным. Следовательно, исключая из уравне-
SS0
150
V V V V Явв, (м2 К)/Вт
Л*
По результатам исследования построены графики зависимости температуры на внутренней поверхности ограждающей конструкции от координаты в продольном и поперечном сечении панели, проходящем по линии крепления панели к ветровым ригелям и по линии соединения панелей между собой (Иллюстрация 3). Полученные данные позволяют сделать вывод, что при любом шаге самонарезающих винтов в местах крепления панели к ригелям температура на внутренней поверхности
■ ?осо 6000 5000 I 4000 8 зооо 2000 1000 о
^ ^
V V V V V V V V V Л* Нт. (м2 К)/Вт
Иллюстрация 2. Зависимости между сопротивлением теплопередаче и варьируемыми параметрами численного эксперимента:
8 — Блр = / (й); б — Блр = / (X ^); в — Яяр = / (В); а — Бпр = / (Б2)
а
t -t
int ext
в
Иллюстрация 3. Графики зависимости температуры на внутренней поверхности ограждающей конструкции от координаты в продольном и поперечном сечении панели, проходящем по линии крепления панели к ветровым ригелям и по линии соединения панелей между собой
ограждающеи конструкции ниже температуры точки росы для температуры в здании tint = 20 °С и относительной влажности внутреннего воздуха Ф = 50%; ф = 55%; ф = 60%. Таким образом, на внутренней поверхности ограждающей конструкции возможно выпадение конденсата.
Чаще всего для крепления сэндвич-панели к ветровым ригелям здания используются самонарезающие винты диаметром 6,3 мм. С целью проверить возможность выпадения конденсата на внутренней поверхности ограждающей конструкции при креплении ее к ветровым ригелем самонарезающими винтами диаметром 6,3 мм рассчитаны температуры
на поверхности конструкции для данного диаметра крепежа. Результаты проверки возможности выпадения конденсата на внутренней поверхности ограждающей конструкции представлены в табличной форме (Таблица 3).
Сэндвич-панели используются как ограждающие конструкции общественных и производственных зданий. Для производственных зданий с сухим и нормальным влажностным режимом помещений нормируемый температурный перепад между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности ограждающей конструкции принимается равным для наружных стен
= {tint - td), но не более 7 °С ([4], таблица 5). Для общественных зданий с нормальным влажностным режимом Atn = 4,5 °С ([4], таблица 5).
Температурный перепад между внутренней поверхностью ограждающей конструкции и температурой воздуха в помещении превышен для общественных зданий с сухим и нормальным влажностным режимом при любом шаге теплопроводных включений и для производственных зданий с сухим и нормальным влажностным режимом при продольном шаге крепежа 1500 мм и поперечном шаге крепления 300 мм (Иллюстрация 3).
На основании результатов численного эксперимента установлено, что при существующем конструктивном решении крепления сэндвич-панелей к каркасу здания, вследствие наличия теплопроводных включений в толще панели, на внутренней поверхности сэндвич-панели возможно выпадение конденсата. На поверхности панели существуют участки шириной до 62 мм в промышленных зданиях с сухим и нормальным климатом и до 200 мм в общественных зданиях, температура которых ниже нормируемой температуры [4]. С целью исключения возможности выпадения конденсата на внутренней поверхности ограждающей конструкции, а также с целью соблюдения соответствия наружного ограждения действующим нормам [4] следует предусматривать антикоррозийную защиту мест крепления сэндвич-панелей к каркасу здания. Заключение
1 По результатам численного эксперимента получено уравнение для расчета приведенного сопротивления теплопередаче наружного ограждения из сэндвич-панелей, пригодное для практического применения. На основании расчета приведенного сопротивления теплопередаче наружного ограждения возможен дальнейший расчет коэффициента теплотехнической однородности сэндвич-панелей по формуле (11), приведенной в [3].
2 Взаимодействие факторов не оказывает значимого влияния на значения сопротивления теплопередаче.
Таблица 3. Сравнение температуры на внутренней поверхности ограждающей конструкции и температуры точки росы при температуре внутреннего воздуха в помещении 20 °С
№ п/п d , мм Bj , мм В2, мм 1, Вт/ (м-К) •С ,‘С U , °С 6 = 50% ^ , °С 6 = 55% td , °С Ф = 60%
1 5,0 300 1500 0,03 13,02 9,28 10,б9 12,00
2 5,0 300 1500 0,05 12,45 9,28 10,б9 12,00
3 5,0 500 1500 0,03 13,03 9,28 10,б9 12,00
4 5,0 500 1500 0,05 12,45 9,28 10,б9 12,00
5 5,0 300 б000 0,03 13,02 9,28 10,б9 12,00
б 5,0 300 б000 0,05 12,44 9,28 10,б9 12,00
7 5,0 500 б000 0,03 13,04 9,28 10,б9 12,00
В 5,0 500 б000 0,05 12,47 9,28 10,б9 12,00
9 б,3 300 1500 0,03 11,00 9,28 10,б9 12,00
10 б,3 300 1500 0,05 10,50 9,28 10,69 12,00
11 б,3 500 1500 0,03 11,02 9,28 10,б9 12,00
12 б,3 500 1500 0,05 10,51 9,28 10,69 12,00
13 б,3 300 б000 0,03 11,0 9,28 10,б9 12,00
14 б,3 300 б000 0,05 10,48 9,28 10,69 12,00
15 б,3 500 б000 0,03 11,03 9,28 10,б9 12,00
1б б,3 500 б000 0,05 10,52 9,28 10,69 12,00
17 8,0 300 1500 0,03 8,37 9,28 10,69 12,00
18 8,0 300 1500 0,05 7,95 9,28 10,69 12,00
19 8,0 500 1500 0,03 8,39 9,28 10,69 12,00
20 8,0 500 1500 0,05 7,97 9,28 10,69 12,00
21 8,0 300 б000 0,03 8,35 9,28 10,69 12,00
22 8,0 300 б000 0,05 7,92 9,28 10,69 12,00
23 8,0 500 б000 0,03 8,39 9,28 10,69 12,00
24 8,0 500 б000 0,05 7,9б 9,28 10,69 12,00
Примечания:
1 Т™ - минимальное значение из всех значений температур на внутренней поверхности ограждающей конструкции.
2 td - температура точки росы при расчетной температуре внутреннего воздуха 20 °С и соответствующей относительной влажности воздуха.
3 Жирным шрифтом выделены значения точки росы большие, чем минимальная температура на поверхности ограждающей конструкции. При данном значении относительной влажности воздуха на внутренней поверхности ограждающей конструкции возможно выпадение конденсата.
3 На внутренней поверхности ограждающей конструкции превышен нормируемый СНиПом [4] температурный перепад между внутренней поверхностью ограждающей конструкции и температурой воздуха в помещении.
4 При температуре внутри помещения tint = +20 °С и относительной влажности воздуха в помещении Ф = 50% , ф = 55% , ф = 60% в местах крепления панели к каркасу здания температура на внутренней поверхности ограждающей конструкции ниже температуры точки росы.
То есть на элементах крепления панели к каркасу здания возможно выпадение конденсата, что приведет к коррозии элементов крепления сэндвич-панели, коррозии внутренней обшивки и утеплителя панели в местах крепления и коррозии элементов каркаса здания, к которым крепится панель, — ветровых ригелей и колонн.
Этот факт, в свою очередь, приведет к снижению долговечности использования и надежности элементов здания с ограждающими конструкциями из сэндвич-панелей.
Для предотвращения коррозии каркаса, ограждающих конструкций и элементов крепежа целесообразно предусмотреть антикоррозийную защиту мест крепления сэндвич-панели к элементам каркаса здания.
Список использованной литературы
1 Ананьин М. Ю., Ведищева Ю. С. Численные исследования теплотехнических свойств сэндвич-панелей // Строительство и образование. 2011. № 14. С. 34-39.
2 Огородникова О. М. Компьютерный инженерный анализ : учеб. пособие. Екатеринбург, 2009.
3 СНиП 11-3-79* Строительная теплотехника / Госстрой России. М., 1998.
4 СНиП 23-02-2003 Тепловая защита зданий / Госстрой России. М., 2004.
