О влиянии расположения теплоизоляционного материала в наружном ограждении на теплоинерционные свойства здания как объекта управления Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 622.692.4

О ВЛИЯНИИ РАСПОЛОЖЕНИЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННОГО МАТЕРИАЛА В НАРУЖНОМ ОГРАЖДЕНИИ НА ТЕПЛОИНЕРЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ЗДАНИЯ КАК ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ

В. И. Панферов, С.Л. Дегтярь

ABOUT INFLUENCE OF HEATING ISOLATION ARRANGEMENT IN OUTSIDE PROTECTION UPON HEATING INERTIAL PROPERTIES OF A BUILDING AS AN OBJECT OF MANAGEMENT

V.l. Panferov, S.L. Degtyar

Исследовано влияние расположения теплоизоляционного материала в наружном ограждении на теплоинерционные свойства здания. Определены постоянные времени при различных компоновках теплоизоляционного слоя в конструкции наружной стены.

Ключевые слова: тепловая изоляция; конструктивный слой; теплоизоляционный слой; постоянная времени; теплоинерционные свойства помещения.

The influence of heating isolation arrangement in outside protection upon heating inertial properties of a building is investigated. Time constants at various arrangement of heat-insulating layer in an outside wall design are determined.

Keywords: heating isolation, construction layer, heat-insulating layer, time constant, heating inertial properties of a building.

Известно [1], что конструкции современных многослойных ограждений характеризуются разделением функций между отдельными материальными слоями. В общем случае ограждение состоит из конструктивного (несущего слоя), теплоизоляционного слоя, а также паро- или гидроизоляционного слоя, внутреннего и внешнего фактурных слоев. В отношении режима теплопередачи основными являются конструктивный и теплоизоляционный слои. Конструктивным обычно является слой из плотного, а следовательно, обладающего значительной теплопроводностью и плохопроницаемого для водяного пара и воздуха, материала. Материал теплоизоляционного слоя обычно пористый, рыхлый, а значит малотеплопроводный и хорошо пропускающий водяной пар и воздух.

Теплоизоляционный материал может быть расположен с внутренней и наружной стороны конструктивного слоя [1, 2]. При этом известно, что термическое сопротивление теплопередаче, являющееся характеристикой стационарного процесса, от этого не меняется и остается одним и тем же. Однако инерционные (динамические) свойства ограждающих конструкций, естественно, будут различаться. Теория теплоустойчивости позволяет предположить, что 1-й вариант компоновки приведет к уменьшению постоянной времени, однако интересно было бы знать, насколько заметным

будет это уменьшение, как сильно будут различаться соотношения, позволяющие оценивать постоянные времени для различных вариантов компоновки слоев. Приведенные здесь вопросы имеют существенное значение как для определения времени охлаждения зданий при аварийных и иных ситуациях, так и для решения вопросов, связанных с построением высококачественных систем управления тепловым режимом зданий.

Для выяснения данного вопроса рассмотрим плоскую однородную стенку, состоящую из двух слоев: конструктивного и теплоизоляционного. Для оценки влияния расположения слоев на теплоинерционные свойства ограждения рассмотрим 2 варианта компоновки: а) теплоизоляционный материал расположен с внутренней стороны ограждения; б) теплоизоляционный материал расположен с наружной стороны ограждения.

Постановка задачи следующая: пусть известны температуры внутренней /в и наружной

сред, их коэффициенты теплоотдачи оев и ан, коэффициенты теплопроводности конструктивного А, и теплоизоляционного ХИ слоев, а также теплоемкости этих слоев с и сИ . Причем считается, что величины 1В, /н, ав, ан постоянны и не меняются вдоль поверхности. Через стену переносится некоторый тепловой поток д.

В результате, для решения задачи требуется определить постоянную времени Т для двух вариантов компоновки ограждения, т.е. ответить на вопрос: как порядок размещения слоев влияет на качество регулирования температуры воздуха внутри здания.

Рассмотрим первый вариант конструкции ограждения (рис. 1).

Известно, что плотность теплового потока находится по известному уравнению

Я = ^, (1)

К

где , /н - соответственно температуры внутреннего и наружного воздуха; Я - сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции.

Эту же величину можно представить следующим образом:

д = -где ^повн

1/0СН

(2)

температура наружной поверхности

стены.

Приравнивая два последних уравнения, получаем, что

4-4 д

ИЛИ

^пов.н 4 +-

оснЯ ........ ан

Аналогично определяем температуры на стыке слоев и внутренней поверхности ограждения

^пов.в ^2

ф

X

Фи

К

1

VttH

5

+ —

-tm+q

1 5 J

— + —+ -J

X X,

Так как при X = const и А,и = const температуры в слоях ограждения изменяются по линейному закону, то среднемассовые температуры конструктивного (основного) и теплоизоляционного слоя можно записать следующим образом

-tE + g

1 8

— + -

2Х

(3)

_ ^2 + ^пов.в

і

= 'н+<7

1 8 5И

— н-------1——

a„ X 2Х„

(4)

\ Н И /

Уравнение теплового баланса здания за бесконечно малый период времени имеет вид [Щ -д0г«в-О]с1т =

= РиЪиРи си 4 (^и - ) + ^8рсс/ (?0СН - /н ) , (5)

где д0 - удельные теплопотери здания за единицу времени при разности температур (ГВ-/Н) = 1°С; V - объем помещения; РГ0 - количество теплоты, приводимой извне на отопление в единицу времени; Р - площадь поверхности конструктивного слоя; р - плотность материала конструктивного

слоя, ^и, ри - то же для теплоизоляционного слоя. С учетом выражений (1), (3), (4) и того, что

^(^осн ^н)

1 5

v a„R 2XR

\ и

!.+A+.s.

KaBR XR 2 XmRj

уравнение (5) можно представить в виде:

+

сиРи^и5и 1 5 5И 'j

ЯоУ I 1 , a„R RX 2RXW . \ н и /

cpFb

Яоу

1 5

ч a„R 2RX

\ И

d%

- + L -

3 -3-+ сиРи^и5и Г 1 5 5 ^

. 5 Л ЯоУ ЯоУ 1 1 kolbR RX 2RXm у

cpF 5

1 5

xanR 2RX ,

\ и у

где

<к

d%

- + 4

(6)

cpF8

q0y

%v 1 5

1 .+A+.

^clhR RX 2RXm j

x a„R 2RX,

\ и /

(7)

Рис. 1. Конструкция ограждения: а - теплоизоляция внутри; б - теплоизоляция снаружи

Инженерное оборудование зданий и сооружений

Далее рассмотрим 2-й вариант компоновки слоев конструкции (см. рис. 1). Аналогично первому варианту, найдя температуры на поверхностях ограждения, на стыке слоев, а также учитывая линейное изменение среднемассовой температуры конструктивного и теплоизоляционного слоев, в итоге получаем следующую математическую модель теплового режима помещения

СиРи^и8и ( 1 1 §И 1

ЧоУ [анЯ 2 ЛXИJ

ср^5

ЧоУ Чо у

КК

2ЯХ

Аъ

сіх

- + 4 -

сиРи^и5и Г 1 1 5и 1

ЧоУ чссн./? 2/?А,и ^

cpF5

Чо¥

1 5И 5 - + ——+ -

с/т

+ (н,

(8)

где

Т =Т =

Н 13

ср^5

^иРи^А

ЧоУ

ЧоУ

чані? ЯХИ 2КХ

Vа 2КК;

(9)

Таким образом, уравнения (7) и (9) наглядно демонстрируют различия в структуре постоянных времени при различных компоновках слоев в наружном ограждении.

Для определения численных значений постоянных времени рассмотрим температурный режим жилого здания. Исходные данные для расчета следую-

1 вариант конструкции:

©

и

Характеристики слоев стены

Таблица 1

Материал в, мм С, Дж/(кг*°С) 5ц Вт/(м*°С) Р’ з кг/м

1 Железобетон 160 840 1,92 2500

2 Пенополистирол 100 1340 0,041 100

Согласно уравнению (10): Т2шр -Г1вар = 818395 с > 0.

2 вариант конструкции:

©

и

Характеристики слоев стены

Таблица 2

Материал б, мм с» Дж/(кг°С) К Вт/(м*°С) Р,з кг/м

1 Ячеистый бетон 400 840 0,2 600

2 Пенополистирол 60 1340 0,041 100

Согласно уравнению (10): Г2вар -Г1вар = 278944 с > 0 .

3 вариант конструкции: 1 2

0

&

©

и

Характеристики слоев стены

Таблица 3

Материал б, мм с, Дж/(кг*°С) ‘V Вт/(м-°С) Р’3 кг/м

1 Ячеистый бетон 400 840 0,2 600

2 Красный кирпич 125 880 0,7 1800

Согласно уравнению (10): Г2вар -7",вар = 360000 с > 0 .

Рис. 2. Варианты конструкции двухслойных наружных огражденийа

щие: наружная стена состоит из двух слоев: железобетона (5 = 0,2 м; F = 54 м2; с = 840 Дж/(кг * °С) ; р = 2500кг/м3; Х = \,92Вт/(м• °С)) и минеральной ваты URSA (5И =0,13м; FM=54м2; си =840Дж/(кг-°р; ри = 60 кг/м3; ХИ = 0,041 Вт/(м-°С)). Объем помещения V = 300 м2, удельные теплопотери здания в единицу времени q0 = 0,13 Вт/(м3 *°С), сопротивление теплопередаче стены R = 3,43 (°С • м2)/Вт, коэффициенты теплоотдачи внутренней и наружной поверхностей ограждения ан = 23 Вт/(м2 • °С), ав =8,7 Вт/(м2 • °С), температура внутреннего воздуха tB = 20 °С .

Тогда, в соответствии с исходными данными, при 1-м варианте компоновки конструкции стены, постоянная времени Т вычисляется согласно уравнению (7) и составляет Т= 20 809 с = 5,78 ч. При 2-м варианте компоновки, согласно уравнению (9), Т— 558 107 с = 155 ч.

Найденные значения постоянных времени наглядно демонстрируют значительную теплоаккумулирующую способность ограждения при втором варианте компоновки, хотя сопротивление теплопередаче конструкции не зависит от последовательности расположения ее слоев. Следовательно, температура внутреннего воздуха реагирует на возмущения наружной среды с большой инерционностью, а это обстоятельство пагубно сказывается на качестве управления тепловым режимом рассматриваемого помещения и здания в целом.

Таким образом, можно предположить, что с точки зрения теории управления расположение теплоизоляционного материала у внутренней поверхности наружного ограждения более целесообразно. Для подтверждения данного предположения проведем качественный анализ полученных данных. Для этого вычтем выражение (7) из выражения (9), т.е. найдем т2шр - Г1вар.

Г2вар _Г1вар = 8^ср6_ 5 (ш)

К к

Уравнение (10) справедливо в том случае, когда Р = Рш. Рассмотрим несколько современных вариантов конструкции двухслойных наружных ограждений, применяющихся для массового строительства зданий в г. Челябинске, и определим знак выражения (10) для того, чтобы определить степень тепловой инерции наружных ограждений (рис. 2).

Таким образом, проведенное исследование показало, что распространенные в настоящее время варианты компоновки ограждающих конструкций, когда теплоизоляционный слой размещается на наружной поверхности конструктивного слоя, приводят к заметному увеличению инерционных свойств зданий по сравнению с противоположным вариантом. Полученные формулы позволяют производить количественную оценку постоянных времени. В частности, расчеты показали, что постоянная времени может быть уменьшена в 20 и более раз за счет расположения теплоизоляционного слоя на внутренней поверхности. Данное обстоятельство позволяет заметно облегчить решение задачи управления тепловым режимом здания. Однако при этом следует учитывать, что на такую же величину уменьшается и время, отведенное для устранения аварийных ситуаций в системе теплоснабжения, что, конечно, нежелательно. Данные обстоятельства необходимо учитывать при решении вопросов проектирования наружных ограждающих конструкций зданий.

Литература

1. Богословский, В.Н. Строительная теплофизика / В.Н. Богословский. — М.: Высшая школа, 1982. - 415 с.

2. Фокин, К.Ф. Строительная теплотехника ограждающих частей зданий / под ред. Ю.А. Та-бу ящиков а, В.Г. Гагарина. - 5-е изд., пересмотр. — М.: АВОК-ПРЕСС, 2006. - 256 с.

Поступила в редакцию 5 октября 2009 г.