CC BY
22
ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ, ВЕНТИЛЯЦИЯ, КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ ВОЗДУХА, ГАЗОСНАБЖЕНИЕ И ОСВЕЩЕНИЕ
УДК 697.134
АНИСИМОВ МАКСИМ ВАСИЛЬЕВИЧ, канд. техн. наук, доцент, teploproekt@list.ru
РЕКУНОВ ВИТАЛИЙ СЕРГЕЕВИЧ, канд. техн. наук, доцент, rekunovvs@mail.ru
Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2
ОБЕСПЕЧЕНИЕ НОРМАТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ МИКРОКЛИМАТА МНОГОКВАРТИРНОГО ЖИЛОГО ЗДАНИЯ С НЕТИПОВОЙ КРОВЛЕЙ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ КАПИТАЛЬНОГО РЕМОНТА
В статье рассматривается проблема возникновения условий формирования точки росы на поверхностях ограждающих конструкций жилого здания с нетиповой кровлей при проведении ее капитального ремонта. Описывается анализ теплового состояния чердачного пространства с учетом воздухообмена. Приводится решение поставленной задачи с рекомендациями по устранению условий конденсации влаги на ограждающих конструкциях.
Ключевые слова: воздухообмен; точка росы; ограждающие конструкции; температурные поля.
MAXIM V. ANISIMOV, Ph. D., Assoc. Prof.,
VUAUYS. REKUNOV, Ph. D., Assoc. Prof.,
Tomsk State University of Architecture and Building,
2 Solyanaya sq., Tomsk, 634003, Russia
ADHERENCE OF STANDARD PARAMETERS OF MICROCLIMATE OF MULTIFAMILY RESIDENTIAL BUILDING WITH NOT TYPICAL ROOF AT MAJOR REPAIR
The article considers the problem of condition of “dew point” formation on the surfaces of enclosing structures of a residential building with not typical roof during its repair. The analysis of a thermal condition of attic floor taking into account the air exchange is described. The decision of this problem and recommendations for the elimination of moisture condensation on the building envelopes are given here.
© М.В. Анисимов, В.С. Рекунов, 2013
Key words: air exchange; “dew point”; building envelopes; temperature fields.
Анализ проблемы
Жилые здания массовой застройки, вводимые в эксплуатацию в конце ХХ в., зачастую имеют большую степень износа и требуют проведения капитального ремонта. Одной из наиболее уязвимых частей здания является его кровля, в качестве утеплителя которой, как правило, использовался керамзит или его аналоги. Кроме того, утеплитель кровли используется для тепловой защиты жилых помещений последнего этажа и также требует замены, т. к. требования к тепловой защите зданий за последнее время существенно возросли.
В случае когда устройство кровли здания является не серийным, при проведении капитального ремонта может возникнуть целый ряд инженерных теплотехнических задач по эффективному утеплению чердачного перекрытия и обеспечению нормативного воздухообмена в чердачном пространстве. Руководствуясь лишь требованиями нормативных документов, не всегда возможно с удовлетворительной точностью определить размеры вентиляционных чердачных продухов либо выполнить мероприятия по утеплению чердачного перекрытия (например, если здание не имеет чердачного этажа).
В соответствии с ГОСТ 30494-96 [1], результирующая температура помещения также является одним из показателей микроклимата. На нее напрямую влияет температура поверхностей ограждающих конструкций внутри жилых помещений. Несоблюдение температурного режима эксплуатации ограждающих конструкций (в том числе чердачного перекрытия) может привести к тому, что после мероприятий по реконструкции параметры микроклимата в помещениях последнего этажа (граничащего с чердачным пространством) могут отличаться от нормативных. Поэтому обеспечение нормативных параметров микроклимата (результирующей температуры помещения) является актуальной задачей.
Так, при проведении капитального ремонта одного из жилых зданий, построенных в конце XX в. в г. Томске, размеры продухов в чердачном пространстве были увеличены в соответствии с требованиями [2]. При этом жильцы последнего (пятого) этажа дома стали подавать жалобы в ТСЖ о появлении водяного конденсата на поверхности перекрытий (вблизи наружных стен). Натурные исследования показали, что увеличение размеров вентиляционных продухов привело к существенному увеличению воздухообмена в чердачном пространстве. В результате было выдвинуто предположение о том, что именно некорректное увеличение размеров продухов могло повлечь за собой промерзание перекрытий над последним этажом и создать условия для возникновения на поверхности перекрытия точки росы.
Математическое моделирование теплового состояния чердачного пространства с учетом его воздухообмена
Для проверки гипотезы был проведен анализ конструкции кровли с чердачным пространством, количества и размеров продухов, а также типа и состояния утеплителя. Кровля здания обладала рядом особенностей - конструкция ее
после проведения укладки кровельного железа не позволяла произвести замену утепляющего слоя (т. к. доступ к нему ввиду ограниченности пространства отсутствовал), воздухообмен внутри производился за счет продухов в наружной стене и вентиляционных воздуховодов, установленных на кровле здания.
На рис. 1 приведен разрез чердачного пространства до внутренней глухой стены здания, показана схема движения воздуха от продуха до вентиляционного воздуховода с выходом его через кровлю; представлены размеры стены с продухом и внутренней стены.
Рис. 1. Принципиальная схема чердачного пространства жилого здания:
1 - вентиляционный воздуховод; 2 - внутренняя глухая стена; 3 - слой утеплителя (керамзит); 4 - плита перекрытия над жилыми помещениями; 5 - вентиляционный продух; 6 - скатная кровля (поверхность из листового железа); 7 - наружная стена здания
Вентиляционный продух после реконструкции имел размеры 200x400 мм. Толщина утепляющего слоя - 200 мм.
Покрытие кровли - стальной лист, кровля не утепленная. С другой стороны внутренней стены также имеется аналогичное «зеркальное» неэксплуа-тируемое пространство. Кровля здания имеет два ската с верхней точкой в области внутренней глухой (не имеющей отверстий) стены.
Для определения факторов, влияющих на формирование точки росы на поверхности перекрытия, была разработана физико-математическая модель тепломассообмена чердачного пространства с окружающей средой (рис. 2).
При рассмотрении задачи прогнозирования возникновения условий для формирования точки росы на поверхностях ограждающих конструкций была сформулирована задача в двумерной постановке.
Граничные условия для слоя 1 (кровельный слой):
при У = Уп; *1 < х < хп; ^ = ¿нар,
л 3T2
при у = Уз; хі < х < хп; ап 2(tB - ґп 2) = -^-г~,
ay
3T (1)
при * = хп; Уз < у < Уп; q = -X— = °
ох
3T
при х = х^Уз < У < Уп; q = -X— = 0, X = const,
ох
где ап2 - коэффициент теплоотдачи вблизи поверхности покрытия кровли, Вт/(м2 °С); X - коэффициент теплопроводности материальных слоев в принятой схеме, Вт/(м2 °С).
Рис. 2. Расчетная схема математической модели:
1 - покрытие кровли; 2 - внутренний воздух в чердачном пространстве; 3 - перекрытие над жилыми помещениями; ГУ I, ГУ II, ГУ III - граничные условия; рв, св, Г в, V в, Ь в - плотность, теплоемкость, температура, скорость и расход воздуха соответственно; д - удельный тепловой поток
Граничные условия для слоя 2 (воздух в чердачном пространстве):
. дТ2
приу = уз;хх < х < хп;аП2(ГВ - ГП2) = ~Ь—,
дУ
Л дТ3
при у = У2; х1 < х < хп; апз • (Гпз- Гв) = -^^-,
дУ (2)
при Х = хп; У2 < У < Уз; Гх п = / (Гнар , V Ь),
дТ
приХ = х1;у2 < у < Уз;д = -Х— = 0,
дх
где ап3 - коэффициент теплоотдачи вблизи поверхности чердачного перекрытия, Вт/(м2 °С); V и Ь - скорость движения воздуха, м/с, и расход воздуха, м3/ч, через вентиляционный продух соответственно.
Граничные условия для слоя 3 (чердачное перекрытие):
Л дТ3
приУ = У2;х1 < х < хп;апз(Гп2 -гв) = -^^-,
ду
при у = У1; х1 < х < хп; д = со^,
дТ
при х = хп; У1 < у < У2; д = -х^г = 0
дх
дТ
приХ = х^У1 < у < У2;д = -Х— = 0,
дх
где q = const - нормативный тепловой поток из жилых помещений через чердачное перекрытие, Вт.
В общем виде в декартовой системе координат уравнение теплопроводности выглядит как
dT
d х
дх ду
РСР~ тг +Q, (4)
где Ср - удельная изобарная теплоемкость, а Q - внутренние источники тепловыделений (в данном случае Q = 0, т. к. тепловыделений нет).
Тепловой баланс чердачного перекрытия будет являться разницей теплоты, поступающей через перекрытие от жилых помещений Qпеp и потерь теплоты, идущих на нагревание приточного воздуха Qинф (через вентиляционные продухи) и за счет теплопередачи через покрытие кровли Qк.
Q = Qпеp - Qинф - Qк. (5)
Тепловой поток через перекрытие чердачного этажа ^пер) [3], Вт:
^ер = (ГП4 - ГП3) , (6)
^пер
где ^ - площадь ограждающей конструкции, м2; Лпер - приведенное сопротивление теплопередаче чердачного перекрытия, (м2 • К)/Вт; ГП4, ГП3 - температура на поверхностях чердачного перекрытия, К.
Тепловые потери на нагрев воздуха, поступающего через вентиляционные продухи, вычислялись по известным зависимостям, приведенным в [3], Вт:
Qинф = 0,28ЬСрВрв (АТ) , (7)
где Ь - расход приточного воздуха, м3/ч; СРВ - удельная теплоемкость воздуха, кДж/(кг-°С); рв - плотность приточного воздуха, кг/м3; АТ - разность температур приточного воздуха и воздуха внутри чердачного пространства, °С. Плотность воздуха с удовлетворительной точностью можно определить по следующей зависимости:
353
Рв = — , (8)
Т в
где Тв - температура воздуха, К.
Для описания процесса конвективного теплообмена на границе «воздух - чердачное перекрытие», Вт/(м2-°С), использовались зависимости, приведенные в СНиП 2.06.04-82 [4]:
а = 23^/ Уср +0,3, (9)
где vсp - средняя скорость ветра, м/с.
Из зависимости (9) видно, что коэффициент теплоотдачи на границе «воздух - чердачное перекрытие» является функцией от скорости движения ветра
а = /(V), поэтому в данной модели эта величина задается как переменная.
Ввиду малых температур на поверхностях ограждающих конструкций внутри чердачного пространства, а следовательно, и значений количества теплоты, теряемой различными поверхностями за счет излучения (1-2 % от суммарных тепловых потерь), этой составляющей теплообмена пренебрегаем.
При разработке модели тепломассообмена чердачного пространства был сделан ряд допущений:
1. Скорость движения воздуха в вентиляционном продухе была принята как нормативная для данного климатического региона [5].
2. Тепловой поток, идущий через чердачное перекрытие, был принят нормативным.
3. Не были учтены суточные колебания скорости движения ветра снаружи здания.
4. Сопротивление теплопередачи чердачного перекрытия считалось как приведенное с учетом слоя утеплителя.
5. Теплопроводность слоя утеплителя принималась нормативной, с учетом пребывания его в увлажненном состоянии.
6. Воздух, поступающий в чердачное пространство, равномерно распределялся по перекрытию и двигался от продуха до вентиляционного воздуховода.
7. Теплота, идущая через чердачное перекрытие, полностью усваивается приточным холодным воздухом.
8. Относительная влажность воздуха внутри жилых помещений была принята в соответствии с нормативными требованиями.
9. Температура воздуха внутри жилых помещений была принята равной нормативной Гпом = 20 °С.
После принятия ряда допущений данная задача решалась для стационарного режима теплопередачи, т. к. было принято, что тепловые процессы являются установившимися.
Для решения поставленной задачи вся длина чердачного перекрытия была условно разделена на «метровые зоны» (всего 6 зон) (см. рис. 1), через которые равномерно проходила струя наружного воздуха. При этом теплота от чердачного перекрытия полностью передавалась воздуху, имеющему скорость движения в чердачном пространстве vв = / ^ветра).
В соответствии с зависимостью (6) возможно определить температуру поверхности перекрытия Гп4 (см. рис. 2) задавшись температурой приточного воздуха.
Для определения температуры формирования точки росы на поверхности ограждающих конструкций была использована нормативная методика [6].
Сравнение результатов натурных наблюдений с результатами численного решения
Для облегчения теплотехнических расчетов [7-9] разработанная расчетная схема была перенесена в объектно-ориентированную среду Бе1рЫ, в которой была создана расчетная компьютерная программа с возможностью проведения численного эксперимента моделирования условий формирования точки росы на поверхностях ограждающих конструкций. Данная программа
обеспечивала расчет температурных полей чердачного перекрытия с учетом изменения исходных данных, таких как температура воздуха, скорость движения приточных струй, геометрические размеры продуха и теплотехнические характеристики основных ограждающих конструкций. Исходные данные к расчету приведены в таблице.
По результатам проведенных расчетов были получены температуры основных поверхностей в рассматриваемой расчетной схеме (см. рис. 2).
Исходные данные
Исходные данные Значение
Температура наружного воздуха, °С -40
Скорость ветра, м/с 2,4
Площадь единичного вентиляционного продуха, м2 0,08
Приведенный коэффициент сопротивления теплопередачи перекрытия, Вт/(м2-°С) 2,5
Температура воздуха в жилых помещениях, °С 20
Относительная влажность воздуха в жилых помещениях, % 40
Результаты проведенных исследований представлены на рис. 3.
ґ, °С 8,4
8,0
7,6
7,2
6,8
6,4
6,0 5,6
1 2 3 4 5 6
Прядковый номер «метровых зон»
Рис. 3. Результаты численного исследования
Как видно из рис. 3, при фактическом сечении продуха 1-я и 2-я «метровые» зоны попадают в условия формирования точки росы на их поверхности, что подтверждается наблюдениями жильцов последнего этажа. При уменьшении сечения продуха на 25 % (0,2х0,3 м) температура поверхности поднимается выше условий конденсации паров воды, что позволяет избежать появления точки росы.
Выводы
В результате проведенных исследований была разработана расчетная схема оценки влияния теплотехнических параметров чердачного пространства нетиповой кровли на температурные поля в ее ограждающих конструкциях.
Сравнение результатов, полученных при расчете с помощью программы, созданной в объектно-ориентированной среде Бе1рЫ, и натурных наблюдений жильцов дома, показало их удовлетворительную согласованность.
Был проведен подбор сечения вентиляционных продухов в чердачном пространстве, позволяющий без проведения дополнительных мероприятий (например, замены типа или увеличения толщины утеплителя) исключить условия формирования конденсата на ограждающих конструкциях жилых помещений. Результаты исследований в виде рекомендаций были переданы сотрудникам местного ТСЖ для проведения работ по нормализации параметров микроклимата в жилых квартирах.
Библиографический список
1. ГОСТ 30494-96. Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях. - Введ. 01.03.1999. - М. : Госстрой России, 1999. - 18 с.
2. СП 17.13330.2011. Кровли. - Введ. 20.05.2011. - М. : Изд-во стандартов, 2011. - 61 с.
3. СНиП 11-3-79*. Строительная теплотехника. - М. : ГП ЦПП, 1996. - 29 с.
4. СНиП 41-01-2003. Отопление, вентиляция и кондиционирование. - Взамен СНиП 2.04.05-91*; введ. 01.01.2004. - М. : Изд-во стандартов, 2004. - 54 с.
5. СНиП 2.06.04-82*. Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов). - М. : Госстрой России, 1989. - 49 с.
6. СНиП 23-01-99. Строительная климатология. - Взамен СНиП 2.01.01-82; введ. 01.01.2000. - М. : Изд-во стандартов, 2004. - 65 с.
7. СП 23-101-2004. Проектирование тепловой защиты зданий. - Взамен СП 23-101-2000; введ. 26.03.2004. - М. : Госстрой России, 2004. - 86 с.
8. Фокин, К.Ф. Строительная теплотехника ограждающих частей зданий / К.Ф. Фокин ; под ред. Ю.А. Табунщикова, В.В. Гагарина. - 5-е изд., пересмотр. - М. : АВОК-ПРЕСС, 2006. - 256 с.
9. Карауш, С.А. Математическое моделирование теплового состояния подвального помещения / С.А. Карауш, И.А. Лысак, М.В. Анисимов // Вестник ТГАСУ. - 2006. - № 2. -С. 133-141.
References
1. GOST 30494-96 [State standard 30494-96]. Zdaniya zhilye i obshchestvennye. Parametry mikroklimata v pomeshcheniyakh [Residential and public buildings. The parameters of indoor climate]. - Vved. [introduced] 01.03.1999. - Moscow, Gosstroy Rossii, Publ., 1999. - 18 p. (rus)
2. SP 17.13330.2011 [Construction regulations 17.13330.2011]. Krovli [Roofs]. - Vved. [introduced] 20.05.2011. - Moscow, Izd-vo standartov Publ., 2011. - 61 p. (rus)
3. SNiP II-3-79* [Construction norms and rules II-3-79]. Stroitel'naya teplotekhnika [Construction heat engineering]. - Moscow, GP TsPP Publ., 1996. - 29 p. (rus)
4. SNiP 41-01-2003 [Construction norms and rules 41-01-2003]. Otoplenie, ventilyatsiya i kon-ditsionirovanie [Heating, Ventilation and Air Conditioning]. - Vzamen SNiP 2.04.05-91*; vved. [introduced] 01.01.2004. - Moscow, Izd-vo standartov Publ., 2004. - 54 p. (rus)
5. SNiP 2.06.04-82* [Construction norms and rules 2.06.04-82]. Nagruzki i vozdeystviya na gidrotekhnicheskie sooruzheniya (volnovye, ledovye i ot sudov) [Loads and influence on hydraulic structures (wave, ice and from vessels)]. - Moscow, Gosstroy Rossii Publ., 1989. - 49 p. (rus)
6. SNiP 23-01-99 [Construction norms and rules 23-01-99]. Stroitel'naya klimatologiya [Construction climatology]. - Vzamen SNiP 2.01.01-82; vved. [introduced] 01.01.2000. - Moscow, Izd-vo standartov Publ., 2004. - 65 p. (rus)
7. SP 23-101-2004 [Construction regulations 23-101-2004]. Prooektirovanie teplovoy zashchity zdaniy [Designing of thermal protection of buildings]. - Vzamen SP 23-101-2000; vved. [introduced] 26.03.2004. - Moscow, Gosstroy Rossii Publ., 2004. - 86 p. (rus)
8. Fokin, K.F. Stroitel'naya teplotekhnika ograzhdayushchikh chastey zdaniy [Construction heat engineering of enclosing parts of buildings] ; pod red. Yu.A. Tabunshchikova, V.V. Gagarina. - 5-e izd., peresmort. - Moscow, AVoK-PRESS Publ., 2006. - 256 p. (rus)
9. Karaush, S.A., Lysak, I.A., Anisimov, M.V. Matematicheskoe modelirovanie teplovogo sos-toyaniya podval'nogo pomeshcheniya [Mathematical modeling of the thermal state of basement] // Vestnik of Tomsk State University of Architecture and Building. - 2006. - No. 2. -P. 133-141. (rus)
