CC BY
26
ТЕХНОЛОГИЯ И ОРГАНИЗАЦИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА
УДК 536:21:674.038:699.86
ЖАРКОЙ РОМАН АНАТОЛЬЕВИЧ, аспирант,
Jarkoi_roman@sibmail. com
КОЗЛОБРОДОВ АЛЕКСАНДР НИКОЛАЕВИЧ, снс, докт. физ.-мат. наук, Akozlobrodov@mail. ru
НЕДАВНИЙ ОЛЕГ ИВАНОВИЧ, докт. техн. наук, профессор,
Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2
НЕСТАЦИОНАРНЫЙ ТЕПЛОПЕРЕНОС В ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ЭЛЕМЕНТАХ НАРУЖНЫХ ОГРАЖДЕНИЙ НА ПРИМЕРЕ ТЕХНОЛОГИИ «ВЕЛОКС»*
Современные наружные ограждения представляют собой многослойную неоднородную конструкцию, способную при относительно небольшой толщине обеспечить благоприятный режим в помещении даже в экстремальных условиях теплообмена. В настоящей работе с помощью программного комплекса ANSYS проводится моделирование нестационарных процессов теплопереноса в элементах наружных ограждений, выполненных по технологии монолитного домостроения с несъемной опалубкой типа «Ве-локс», и на основе результатов расчета анализируется тепловое состояние и теплозащитные свойства таких конструкций.
Ключевые слова: монолитное домостроение, малоэтажное строительство, теплоперенос, температурные поля, наружные ограждения.
ZHARKOI, ROMANANATOLYEVICH, P.G.,
Jarkoi_roman@sibmail. com
KOZLOBRODOV, AEKSANDERNIKOLAYEVICH, Dr. of phys.-math. sc., Akozlobrodov@mail. ru
NEDAVNIY, OLEG IVANOVICH, Dr. of tech. sc., prof.,
Tomsk State University of Architecture and Building,
2 Solyanaya sq., 634003, Tomsk, Russia
* Данная работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект №09-08-00523-а «Комплексные экспериментальные исследования аэродинамики и теплообмена моделей зданий и сооружений от 11.09.2008 г.).
© Р. А. Жаркой, А.Н. Козлобродов, О.И. Недавний, 2011
NON-STATIONARY HEAT TRANSFER IN SPATIAL ELEMENTS OF EXTERNAL ENCLOSURES ON «VELOX» TECHNOLOGY
Up-to-date external enclosures represent a multilayered non-uniform design capable at rather small thickness to provide a favorable mode indoors even in extreme conditions of heat exchange. In the present work by means of program complex ANSYS the modeling of non-stationary processes of heat transfer in elements of the external enclosures is carried out on the technology of monolithic housing construction with a fixed timbering of «Ve^» type. On the basis of results of calculation the thermal condition and heat-shielding properties of such designs is analyzed.
Keywords: monolithic construction, low building, heat transfer, temperature fields, exterior enclosures.
Введение
В последние годы в практике современного строительства применяются различные варианты конкурентоспособных энергоэффективных ограждающих конструкций. Их совершенствование направлено на повышение качества и долговечности как в техническом, так и в экономическом аспекте.
Анализ достижений в области малоэтажного строительства свидетельствует о том, что для сложных климатических условий, характерных для Сибирского региона, экономически оправданным и перспективным является монолитное домостроение, когда используется несъемная опалубка, элементы которой являются конструкционно-теплоизоляционными слоями в наружной стене.
Вместе с тем возможности повышения производительности такой технологии, особенно при возведении комплекса зданий коттеджного типа, исчерпаны не в полной мере. Сдерживающим фактором является то, что второй этаж здания можно возводить лишь тогда, когда бетон в стенах первого этажа наберет прочность не менее Идоп, необходимую для монтажа перекрытия и размещения на перекрытии оснастки и организации рабочего места для возведения стен второго этажа.
Таким образом, в общепринятом понимании время т, необходимое для набора прочности Идоп, является своеобразным «застойным временем» (технологическим перерывом) для продолжения работ при строительстве двухэтажного дома. Чем ниже температура наружного воздуха, тем большее значение имеет т. Попытки необоснованно уменьшить время т могут привести к опасным последствиям. В частности, в городе Томске по этой причине имело место обрушение перекрытий двух домов, строящихся по монолитной технологии.
Повышение производительности монолитного домостроения и продление периода возможности производить строительные работы при отрицательных температурах наружного воздуха является важной задачей строительного комплекса.
Становится актуальным и обусловленным объективной необходимостью решение научной задачи по установлению закономерностей теплопере-носа в многослойной ограждающей конструкции, выполненной по технологии монолитного домостроения с несъемной опалубкой.
1. Физико-математическая постановка нестационарных тепловых процессов в многослойных наружных ограждениях
В настоящей работе теплопередача через многослойное наружное ограждение рассматривается на примере типичных пространственных элементов ограждающих конструкций, выполненных по технологии монолитного домостроения УБЬОХ («Велокс») (рис. 1).
Рис. 1. Элементы строительной конструкции «Велокс»:
1 - внутренний слой отделки (цементнопесчаная штукатурка); 2 - щепоцемент-ная плита; 3 - железобетон; 4 - утеплитель из пенополистирола (наружная сторона); 5 - щепоцементная плита; 6 -наружная отделка
При математической постановке задачи предполагается, что известны геометрические размеры элементов ограждающей конструкции (рис. 2) и их теплофизические характеристики - плотность, удельная теплоемкость и коэффициент теплопроводности, которые зависят от факторов окружающей среды.Задаются температуры наружного text(т) и внутреннего tint воздуха, коэффициенты теплоотдачи (аехЬ аи) на наружной и внутренней поверхностях ограждения, а также коэффициент теплоотдачи на внешней поверхности покрытия арег.
Рис. 2. Геометрия элемента конструкции
Задача решается в прямоугольной декартовой системе координат ^ у, z.
Нестационарный пространственный теплоперенос в рассматриваемом фрагменте конструкции в декартовой системе координат описывается системой нелинейных нестационарных трехмерных уравнений теплопроводности, количество которых равно числу всех элементов (и), в нее входящих [1]:
ді, д І ді, \ д
ду
д І ді,
ді І ді
дт дх ^ дх ] ду
где / = 1,...,п с соответствующими начальными и граничными условиями.
В качестве начальных условий в расчетной области можно задавать температурное поле, соответствующее решению стационарной задачи, однородное температурное поле или температуру для каждого элемента (слоя) конструкции.
^ |т=о = Ч (ху’2),г' =1,...,п, х,у,2 . (2)
Здесь О - замкнутая область изменения независимых пространственных переменных.
Граничными условия на всех внутренних и внешних поверхностях рассматриваемого фрагмента конструкции являются граничные условия III рода, которые учитывают теплообмен этих поверхностей с окружающей средой, и, например, для внутренних поверхностей могут быть записаны в виде:
дЛ„
-I
п,т у».
дп
— а . *
іпі \ іпі
где п - направление нормали к соответствующей поверхности; т - номер, соответствующий элементу конструкции, контактирующему с внутренним воздухом; Хпт - коэффициент теплопроводности материала этого элемента; ¡шг/,т - температура граничащей поверхности.
В зоне сопряжения двух соседних элементов задаются граничные условия IV рода, в соответствие с которыми здесь должно выполняться равенство температур и тепловых потоков:
ІгРт ігр ІгР•т+11гР • (4)
дґ
-I —т
п,т -л
дп
— —\ дІт+1
т+1 -л
гр дп
(5)
На всех торцах рассматриваемого фрагмента конструкции задаются условия симметрии, соответствующие граничным условиям II рода с нулевым значением плотности теплового потока:
«I гр = °. <6>
Для численной реализации математической модели (1) - (6) использовался метод конечных элементов, являющийся основой программного комплекса А№У8 [2, 3].
0
п
2. Примеры расчета теплового состояния элементов
ограждающих конструкций и анализ результатов расчета
С энергетической точки зрения наибольшие теплопотери в ограждаю-
щих конструкциях любого типа происходят в так называемых мостиках холо-
да, к которым можно отнести наружные и внутренние угловые фрагменты
стен, стыки стен с полом и потолком, стыки наружных стен с внутренними перегородками, оконные и дверные проемы, балконы и т. п.
Основные проблемы здесь состоят в определении дополнительных потерь теплоты, вызванных геометрическими особенностями конструкции, и особенно в нахождении температуры на внутренней поверхности таких стен, которая не должна быть ниже так называемой температуры точки росы. Для их решения можно использовать как физическое, так и математическое моделирование.
В настоящей работе моделирование теплового состояния элементов многослойных неоднородных конструкций проводится с помощью программного комплекса ANSYS Workbench для фрагментов домов, построенных по технологии монолитного домостроения с несъемной опалубкой «Велокс». В качестве элементов конструкции были выбраны: угловой фрагмент, стык стены с перегородкой и стык стены с перекрытием между первым и вторым этажами. Для этих фрагментов расчет теплового состояния проводился в двух- и трехмерной постановке как для стационарного, так и для нестационарного случаев.
На рис. 3 показана геометрия рассматриваемых многослойных конструкций.
h
б
Рис. 3. Геометрия многослойных фрагментов конструкций:
а - наружный угол (план); б - горизонтальный разрез по стене; в - вертикальный разрез по стене с перекрытием
Рассматриваемые фрагменты конструкций состоят из следующих материалов: щепоцементная плита (1111 ЦП) толщиной 35 мм используется в качестве внешней и внутренней обшивки, утеплителем с внешней стороны конструкции является пенополистирол (ППС) толщиной 150 мм, за утеплителем в стене следует слой тяжелого бетона такой же толщины. В качестве перегородки (рис. 3, б) используется щепоцементная плита толщиной 70 мм. Материалы, использующиеся в перекрытии: железобетонная плита, толщиной 220 мм; слой утеплителя из ППС толщиной 100 мм и листовая фанера толщиной 10 мм. Материалы, в данных конструкциях имеют следующие теплофизические характеристики:
а
в
Свойства материалов ЩЦП ППС Бетон Сталь
Плотность р,кг/м3 600 40 2400 7850
Теплоемкость С, Дж/(кг-°С) 2300 1370 840 480
Коэффициент теплопроводности X, Вт/(м-°С) 0,11 0,041 2,04 58,15
В данной статье рассматривается пространственное моделирование нестационарного теплопереноса через стену.
При расчете пространственных задач использовались элементы типа 80ЬГО87 и 80ЬГО90. Исследование теплового состояния трехмерных элементов конструкций также проводилось как в стационарных, так и в нестационарных условиях теплообмена. Решение нестационарных пространственных задач, позволяющих определить тепловое состояние рассматриваемых фрагментов конструкций, относящихся к монолитному малоэтажному домостроению, представляет несомненный интерес, и поэтому именно обсуждению этих результатов и будет уделено значительное внимание.
Исследование проводилось в рамках гранта РФФИ (проект №09-08-00523-а «Комплексные экспериментальные исследования аэродинамики и теплообмена моделей зданий и сооружений от 11.09.2008 г.) под руководством профессора А.И. Гныри. Для ускорения темпов строительства было предложено устанавливать телескопические стойки, на которых временно укладывались плиты перекрытия между 1-м и 2-м этажами. В связи с этим актуальным становится вопрос о времени набора бетоном заданной прочности. Это время должно определить начало передачи нагрузки на несущие стены. Поэтому решение нестационарных задач в условиях, максимально приближенных к реальным, является актуальным и представляет не только практический, но и научный интерес.
На рис. 4 показана конечно-элементная сетка для углового фрагмента конструкции.
Рис. 5 иллюстрирует температурное поле, соответствующее начальному моменту времени, которое получено при решении стационарной задачи.
На рис. 6, 7 представлены результаты расчета теплового состояния пространственного углового фрагмента во времени. Особенностью математической постановки нестационарной задачи является то, что при начальной температуре конструкции, равной -5 °С и температуре бетона + 20 °С предполагается изменение температуры наружного воздуха по синусоидальному закону от -10 до 0 °С при температуре внутреннего воздуха +50 °С. Такая температура воздуха на плоскостях внутренних стен конструкции поддерживается с помощью нагревательных приборов для того, чтобы ускорить процесс набора прочности бетоном. Зная среднюю температуру бетона, можно прогнозировать время, за которое он наберет заданную прочность, сравнивая его с данными, полученными экспериментальным путем для бетона заданной марки.
Сравнение рис. 6 и 7 показывает, что несмотря на колебательный характер внешней температуры воздуха, максимальная температура конструкции
стремится к некоторому стационарному значению. Это наглядно иллюстрирует рис. 8, показывающий зависимость минимальной и максимальной температур от времени (в часах). Минимальные значения температуры имеют место на внешней поверхности конструкции, а максимальные - на внутренней.
Рис. 4. Конечно-элементная сетка для углового Рис. 5. Температурное поле, соответствую-
фрагмента конструкции
щее начальному моменту времени
Рис. 6. Температурное поле при т = 24,8 ч
Рис. 7. Температурное поле при т = 168 ч
Результаты расчета, представленные на рис. 8, показывают, что для наружных ограждений, выполненных по технологии «Велокс», колебания температуры наружного воздуха не влияет на температуру внутренней поверхности конструкции.
Наибольший интерес представляет моделирование теплового состояния третьего фрагмента конструкции. Здесь в условиях, аналогичных предыдущей задаче, были рассмотрены два варианта - первый вариант предполагал, что телескопические стойки поддерживают плиту перекрытия на расстоянии 2 см от несущей стены, а в промежутке между стеной и перекрытием находится термоизолирующая вставка из пе-нополистирола (ППС) (рис. 9).
На следующей серии рисунков представлены результаты расчета теплового состояния фрагмента конструкции со вставкой в различные моменты времени.
Рис. 10 иллюстрирует поведение температурного поля конструкции в начальный момент времени, которое является решением стационарной задачи.
Рис. 9. Геометрия фрагмента перекрытия со вставкой
Рис. 10. Температурное поле в начальный момент времени
Рис. 11-13 показывают характер изменения температурного поля во времени.
На рис.14 показаны результаты расчета средней температуры бетона в зависимости от времени. Из представленного рисунка видно: в начальный момент времени нагретый бетон отдает свое тепло холодной опалубке, а затем начинается его прогревание. Анализ результатов свидетельствует о том, что заложенного времени оказалось недостаточным, и температура бетона еще не достигла своего стационарного значения.
Для сравнения был просчитан вариант, предполагающий, что телескопические стойки поддерживают плиту перекрытия на уровне высоты стены и термовкладыша нет (рис. 15-17).
Рис. 11. Температурное поле в момент времени Г = 4 мин
Рис. 12. Температурное поле в момент времени Г = 40 ч 40 мин
Graph » Tabular Data
Animati п ► iDlPl ? 100 Frames - 2 Sec (Auto) s- Ni Time [s] |I* Tempera t.
1 0, 20,
i 1, 20,13
3 4 5 2, 20,19 4,3512 20,387 10,985 20,619
32,5 6 30,885 20,79
30, 7 8 9 10 11 90.587 269,69 656,43 1498,8 3587,5 20,808 20,464 20,049 19,984 19,896
12 13 14 15 16 7490,1 14690 21890 29090 36290 20,196 21,082 21,722 22,238 -22,764
17 18 43490 23,493 50690 24,186
22,5 - 19 20 21 57890 65090 72290 24,848 25,482 26,093
22 23 24 25 79490 86690 93890 l,0109e+005 26,681 27,243
40000 80000 l,6e*5 2,e*5 2,S92e*5 28,296 28,788
Рис. 14. Зависимость средней температуры бетона от времени
G: Transient Thermal
0,200 0,600 Рис. 15. Температурное поле в момент времени t = 25 мин
0,200 0,600
Рис. 17. Температурное поле в момент времени і = 64 ч 5 мин
График зависимости средней температуры бетона от времени (рис. 18) по своему поведению очень похож на предыдущий (рис. 14), однако уровень температур в соответствующие моменты времени оказывается ниже. Так, максимальное значение температуры бетона со вкладышем равнялась 35,1 °С, а без вкладыша 32,7 °С.
Рис. 18. Зависимость средней температуры бетона от времени
Достоверность полученных численных результатов проверялась по законам сохранения теплового баланса, который контролируется программным комплексом ANSYS, а также по температуре на плоскости стены, которую при стационарных граничных условиях нетрудно вычислить для рассматриваемой многослойной стенки аналитически. Эта погрешность не превышала 1 %.
Таким образом, решение вопроса нестационарного теплопереноса в наружных ограждениях, построенных по технологии «Велокс», позволяет спрогнозировать прочность бетона для передачи нагрузки от перекрытий при разных граничных условиях.
Библиографический список
1. Ильинский, В.М. Строительная теплофизика (ограждающие конструкции и микроклимат зданий) / В.М. Ильинский. - М. : Высшая школа, 1974. - 320 с.
2. Каплун, А.Б. АЫБУБ в руках инженера : практическое руководство / А.Б. Каплун, Е.М. Морозов, М.А. Олферьева. - М. : Едиториал УРСС, 2003. - 272 с.
3. Басов, К.А. АЫБУБ в примерах и задачах / К.А. Басов. - М. : Компьютер Пресс, 2002. -224 с.
