CC BY
10
УДК 643:699.86 + 536.24:681.3
С.А. КАРАУШ, докт. техн. наук, профессор,
ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОВЫШЕНИЯ ТЕПЛОЗАЩИТНЫХ СВОЙСТВ ЗАГЛУБЛЕННЫХ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ
Рассмотрены вопросы обоснования повышения теплозащитных свойств ограждающих конструкций, заглубленных в грунт. Обоснование предлагаемых решений рекомендуется делать на базе разработанной программы «СеИагИеа! 2.5», позволяющей определять температурные поля в грунте и рассчитывать тепловые потоки через многослойные ограждающие конструкции подвальных помещений для нестационарных условий теплоперено-са и научно обосновывать требуемые теплозащитные свойства этих конструкций.
За счет повышения теплозащитных свойств заглубленных ограждающих конструкций обеспечиваются требуемые оптимальные параметры микроклимата в помещениях. Разработанная методика подтверждена удовлетворительным совпадением с результатами натурных исследований для условий наиболее холодной пятидневки для г. Томска.
Переход народного хозяйства России на рыночные отношения привел, в конечном итоге, к пересмотру политики государства в жилищно-коммунальной отрасли. Так, согласно Жилищному кодексу Российской Федерации [1], введенному в действие с 1 марта 2005 года, общее имущество жилых домов стало принадлежать жильцам. К общему имуществу отнесены согласно ст. 36 и подвалы жилых зданий.
Развитие индивидуального предпринимательства привело к тому, что подвальные помещения и первые этажи жилых зданий стали активно использоваться под различные общественные помещения: магазины, спортивные залы, мастерские, кафе и другие цели. Это связано с тем, что при небольших материальных затратах со стороны предпринимателей оказывается возможным неиспользуемые и нежилые подвальные помещения, после незначительной реконструкции и повышении качества наружных ограждающих конструкций, перевести в разряд эксплуатируемых. При этом в выигрыше оказываются как жильцы, они теперь не оплачивают тепловые потери через подвальные помещения и получают доход от сдачи их в аренду предпринимателям, так и предприниматели, им не нужно вкладывать огромные средства в строительство новых помещений для реализации своего бизнеса. Обоюдная выгода приносит также пользу и государству, т.к. при увеличении общей площади эксплуатируемых помещений темпы увеличения мощности теплогенерирующих установок на отопление этих помещений значительно ниже. Это приводит к повышению эффективности капитальных вложений на реконструкцию подвальных помещений, экономии энергетических, материальных и трудовых ресурсов, повышению эксплуатационных качеств наружных ограждающих конструкций. Данные вопросы приобрели в настоящее время особую актуальность в связи с обострившейся проблемой нехватки теплогенерирующих мощностей в городах России, особенно в Западно-Сибирском регионе.
При проведении работ по реконструкции подвальных помещений с целью перевода их в эксплуатируемые необходимо, чтобы в проекте на реконструкцию были разработаны и обоснованы мероприятия, обеспечивающие повы-
шенные параметры качества микроклимата. С одной стороны, это связано с использованием в подвальных помещениях дорогостоящего оборудования, а с другой стороны, с тем, что в рабочих зонах для обслуживающего персонала и находящихся в подвальных помещениях людей должны быть обеспечены оптимальные параметры микроклимата в соответствии с требованиями нормативных документов [2]. При этом основу разработки такого проекта должны составлять энергосберегающие мероприятия.
Обеспечить требуемый температурный режим в подвальном помещении можно только на основании правильно выполненных расчетов по теплозащите наружных ограждающих конструкций. В проектной практике на стадии проектирования жилых домов это делается на основании СНиП [3].
При проектировании зданий с неэксплуатируемыми подвальными помещениями для определения тепловых потерь через ограждающие конструкции последних в настоящее время используется нормативная методика [3-4], которая, по мнению ряда авторов [5], не учитывает нестационарность процесса теплопереноса в первой и второй 2-метровых зонах через грунт подвального помещения. Расчет тепловых потерь по этой методике для эксплуатируемых подвальных помещений приводит к их значительному завышению [6]. Это указывает на необходимость разработки методики расчета тепловых потерь через ограждающие конструкции и грунт подвального помещения, которая бы учитывала реальность протекающих нестационарных процессов в окружающей среде.
В связи с этим в Томском государственном архитектурно-строительном университете была предпринята попытка изучить реальные процессы теплообмена подвального помещения жилого здания с окружающей средой и на основании этих исследований разработать инженерную методику тепловых расчетов ограждающих конструкций подвальных помещений для условий нестационарного теплопереноса.
С этой целью сначала была разработана математическая модель для подвального помещения (рис. 1), находящегося в условиях нестационарного теплопереноса. Затем было выбрано здание типовой застройки в г. Томске с подвальным помещением и проведена серия натурных экспериментов [6].
Тепловой баланс подвального помещения обычно записывается в следующем виде:
Qпт + Qик + 0ОБ _ биС,НВ + 6нс,гр + 0-ГР + бхв , (1)
где QПТ , QИК, QОБ - теплоприток в подвальное помещение через перекрытие первого этажа, от инженерных коммуникаций и от оборудования, расположенного в помещении, соответственно; QНСНВ , QНСГР, QГР, Qхв - тепловые
потери через части цокольной стены, находящиеся выше и ниже уровня поверхности грунта, через грунт подвального помещения, на нагрев приточного наружного воздуха, соответственно.
В данном виде уравнение (1) представляет собой тепловой баланс, являющийся основой большинства существующих методик для расчета температуры воздуха внутри подвального помещения. Однако в этих методиках
расчет тепловых потерь через заглубленную в грунт часть цокольной стены и грунт подвального помещения ведется на основе методики СНиП [4], т.е. с использованием расчетных 2-метровых зон, что является не вполне обоснованным при реконструкции наружных ограждающих конструкций подвальных помещений. Как показали проведенные натурные исследования на примере подвального помещения жилого здания, тепловые потоки в первой двухметровой зоне подвального помещения, которая захватывает часть заглубленной в грунт цокольной стены, оказываются в реальных условиях в два раза ниже по сравнению потоками, рассчитанными по нормативной методике СНиП [4]. Для второй зоны это превышение составляет до 60 %, для третьей зоны - до 40 %, для четвертой зоны - до 25 %.
Рис. 1. Расчетная схема математической модели подвального помещения:
1 - подвальное помещение; 2 - наружный воздух; 3 - осевая линия здания; 4 -перекрытие; 5 - грунт подвального помещения; 6 - внутренняя ограждающая панель; 7 - часть цокольной стены, контактирующая с наружным воздухом; 8 -заглубленная в грунт часть цокольной стены; 9 - инженерные коммуникации; 10 - продух или оконный проем; 11 - отмостка; 12 - грунт снаружи здания; 13 -снежный покров
Основной целью тепловых расчетов при переводе помещения из неэкс-плуатируемого в эксплуатируемое является обоснование теплозащитного слоя для цокольной стены и грунта подвального помещения. С этой целью и была разработана в ТГАСУ инженерная методика теплового расчета подвального помещения в условиях нестационарного теплопереноса [6]. Нестационарность процесса теплопереноса вызвана изменением температуры наружного воздуха во времени, непостоянством теплопоступлений к воздуху подвального помещения от инженерных коммуникаций, изменением толщины снежного покрова и количества инфильтруемого воздуха в течение периода отрицательных температур. Сложность учета влияния этих факторов на температурный режим подвального помещения заключается в хаотичном характере их изменения.
Аналитическое решение подобного рода сложных теплотехнических задач, где необходим учет большого количества различных составляющих с взаимным влиянием друг на друга, весьма затруднительно, поэтому нами
был использован численный метод с дальнейшей проверкой полученных результатов на натурной модели.
В основу описания процессов теплопереноса в неподвижных материальных слоях математической модели (грунт, ограждения, снежный покров и т. д.) было положено уравнение теплопроводности с соответствующими граничными условиями в местах сопряжения [6]. На границах «воздух - материальный слой» были приняты граничные условия III рода:
Q = а(?ПМ - Тв )Р, (2)
где Q - конвективный тепловой поток на поверхности материального слоя; а - коэффициент теплоотдачи, определяемый по соответствующим известным уравнениям подобия [7]; ТПМ и Тв - температуры поверхности материального слоя и контактирующего с ней воздуха; Р - площадь поверхности материального слоя.
При постановке тепловой задачи были приняты общеизвестные допущения, суть которых сводилась к следующему: теплофизические свойства материальных слоев постоянны; тепловыделения от инженерных коммуникаций и теплота, идущая на нагрев инфильтруемого холодного воздуха, равномерно распределяются по внутреннему объему подвального помещения; температура воздуха внутри помещения 1-го этажа, находящегося над подвальным помещением, принята равной нормативной.
Математическая постановка задачи носит объемный вид и здесь не приводится. При решении тепловой задачи предполагается, что начальное распределение температуры в материальных слоях модели известно.
Учитывая, что теплоперенос из подвального помещения в окружающую среду в основном осуществляется через цокольную стену, толщина которой значительно меньше ее высоты и длины, можно ограничиться рассмотрением тепловой задачи для плоскости, как показано на рис. 1.
Для численного решения поставленной задачи использовался метод прогонки с применением неявной разностной схемы, обеспечивающий абсолютную устойчивость решения относительно шага по времени [8]. Применение такой методики позволяет оптимизировать при расчете соотношение между точностью и продолжительностью расчета. Анализ расчетов поставленной задачи по такой схеме позволил установить, что с увеличением шага по времени точность получаемых результатов меняется незначительно. Поэтому в дальнейшем, при использовании данного алгоритма шаг по времени задавался исходя из продолжительности расчета, а не точности. Проверка предложенной модели расчета была осуществлена путем сравнения с известным аналитическим решением двумерной задачи [9] и показала удовлетворительное совпадение результатов при количестве шагов по осям более 10, что подтвердило корректность выбора и реализации расчетной схемы.
На основе вышеизложенного алгоритма решения поставленной тепловой задачи по расчету теплообмена подвального помещения с окружающей средой при нестационарных условиях теплопереноса была разработана программа «Се11агЬеа1 2.5» в объектно-ориентированной среде Бе1рЫ 7.0 [6]. Программа позволяет рассчитывать тепловые потоки через многослойные ог-
раждающие конструкции подвального помещения для нестационарных условий теплопереноса и температурные поля в этих конструкциях и грунте, определять среднюю температуру воздуха в подвальном помещении в любой момент времени, отслеживать ход проникновения нулевой изотермы как в ограждающих конструкциях, так и в грунте.
Для оценки температурных режимов ограждающих конструкций и температурного поля грунта, определения тепловых потоков через ограждающие конструкции подвального помещения в реальных условиях был проведен натурный эксперимент. В качестве объекта было выбрано подвальное помещение типового 5-этажного панельного жилого здания по Иркутскому тракту, как одного из наиболее распространенных серий в г. Томске. Подвальное помещение имело наружную цокольную стену, заглубленную в грунт на глубину 0,9 м, и неутепленный пол, которым являлся грунт в подвальном помещении. Эксперименты проводились непрерывно в течение периода с 2002 по 2004 годы. При проведении экспериментов, для которых был специально разработан экспериментально-исследовательский приборный комплекс, осуществлялось измерение температур и тепловых потоков на поверхностях ограждающих конструкций подвального помещения и грунта, температур воздуха внутри подвального помещения и снаружи, а так же скоростей движения воздуха через продух (оконный проем). Скорость ветра, его направление и температура наружного воздуха принимались по данным метеостанции г. Томска.
Разработанная на основе математической модели и программного продукта инженерная методика теплового расчета подвального помещения в условиях нестационарного теплопереноса была апробирована на подвальном помещении, которое было использовано для натурных экспериментов.
Проведенное сравнение результатов экспериментальных исследований тепловых потоков через цокольную стену подвального помещения, использованного для натурных экспериментов, находящуюся выше уровня поверхности грунта, с результатами расчетов по применяемой в настоящее время методике СНиП [3, 4] для условий г. Томска показало их хорошее совпадение. Расхождение не превысило 12 %.
Сравнение результатов экспериментальных исследований тепловых потоков через часть цокольной стены подвального помещения, находящуюся ниже уровня поверхности грунта, с результатами, полученными при использовании существующей нормативной методики СНиП [2, 4], и результатами, полученными при расчете с помощью программы «Се11агЬеа1 2.5», показано на рис. 2. Здесь приведено сравнение средних тепловых потоков через расчетные зоны в наиболее холодную пятидневку для условий г. Томска в 2002 году, которая наблюдалась с 29 ноября по 3 декабря. Температура наружного воздуха в наиболее холодную пятидневку, по данным метеостанции г. Томска, составила минус 23,4 °С.
Как видно из рис. 2, наблюдается удовлетворительное совпадение тепловых потоков, полученных в эксперименте и рассчитанных с помощью программы «Се11агЬеа1 2.5». Расчет средних тепловых потоков по расчетным зонам по методике СНиП [2, 4] для температуры наиболее холодной пятидневки дает завышенные значения в первых трех зонах и заниженное значение в чет-
вертой зоне. Это вполне объяснимо, т.к., по данным СНиП, должен иметься определенный коэффициент запаса по передаваемым тепловым потокам в первых расчетных зонах.
Ч- -
Вт/м2
12 -10 -8 -6 -4 -
2 -0 -
Рис. 2. Тепловые потери через заглубленную в грунт часть цокольной стены и грунт подвального помещения по расчетным зонам:
1 - расчет по программе «СеІІагИеаІ 2,5»; 2 - расчет по СНиП [2, 4]; 3 - эксперимент; І-ІУ - расчетные зоны
Учитывая реалии сегодняшнего дня, когда действуют принципы энерго-и ресурсосбережения, можно предложить методику повышения качества наружной цокольной стены здания при переводе неэксплуатируемого помещения в эксплуатируемое за счет применения теплоизоляционного слоя. Для снижения материалоемкости и стоимости разрабатываемых мероприятий сама толщина теплоизоляционного слоя может быть рассчитана с использованием программы «СеІІагЬеаІ 2.5». При этом толщина теплоизоляционного слоя на части цокольной стены, находящейся выше уровня поверхности грунта, может быть наложена снаружи здания, а теплоизоляция для заглубленной в грунт части стены может быть наложена внутри подвального помещения, как показано на рис. 3. Вместе с тем наложение тепловой изоляции на цокольную стену подвального помещения конструктивно может быть выполнено с учетом особенностей помещения, его назначения и т.п.
Вышепроведенный анализ показал, что предложенная инженерная методика на основе программы «СеІІагЬеаІ 2.5» удовлетворительно описывает реальные процессы теплопереноса через ограждающие конструкции и может быть рекомендована для тепловых расчетов наружных ограждающих конструкций подвальных помещений в нестационарных условиях.
Рис. 3. Расчетная схема математической модели подвального помещения:
1 - подвальное помещение; 2 - наружный воздух; 3 - перекрытие; 4 - грунт подвального помещения; 5 - часть цокольной стены, контактирующая с наружным воздухом; 6 - заглубленная в грунт часть цокольной стены; 7 - внутренний слой теплоизоляции; 8 - продух или оконный проем; 9 - наружный слой теплоизоляции; 10 - грунт снаружи здания; 11 - снежный покров
Предложенная методика по оценке теплового состояния подвального помещения в нестационарных условиях теплопереноса на базе программы «СеІІагЬеаІ 2.5» позволяет делать обоснования по конструктивному исполнению и необходимой толщине теплоизоляционного слоя для цокольной стены здания и грунту при проведении реконструкции подвального помещения.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Жилищный кодекс Российской Федерации: (введен в действие с 1 марта 2005 г.). - Новосибирск : Сиб. унив. изд-во, 2005. - 110 с. - (Кодексы и законы России).
2. 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. - (Строительные нормы и правила).
3. СНиП 23-02-2003. Тепловая защита зданий. Взамен СНиП ІІ-3-79*; введ. 01.10.2003. -М. : Изд-во стандартов, 2003. - (Строительные нормы и правила).
4. СНиП 2.04.05-91*.Отопление, вентиляция и кондиционирование; введ. 28.11.91. - М. : Изд-во стандартов, 1991. - 119 с. - (Строительные нормы и правила).
5. Гиндоян, А.Г. Тепловой режим конструкций полов / А.Г. Гиндоян. - М. : Стройиздат, 1984. - 222 с.
6. Карауш, С.А. Теплоперенос через цокольную стену подвального помещения жилого здания / С.А. Карауш, М.В.Анисимов // Известия вузов. Строительство. - 2006. -№ 10. - С. 45-47.
7. Исаченко, В. П. Теплопередача: учебник для вузов / В. П. Исаченко, В. А. Осипова, А.С. Сукомел. - М. : Энергоиздат, 1981. - 416 с.
8. Самарский, А.А. Устойчивость разностных схем / А.А. Самарский, А.В. Гулин. - М.: Наука, 1973. - 415 с.
9. Лыков, А.В. Теория теплопроводности: учебник / А.В. Лыков. - М.: Высш. школа, 1967. - 599 с.
S.A. KARAUSH
BASIS OF TECHNOLOGY OF HEAT-RESISTING PROPERTIES INCREASE OF UNDERGROUND ENCLOSURE CONSTRUCTIONS
The problems of increasing of heat-resisting properties of underground enclosure constructions are considered in the paper. The suggested dicisions were made on the basis of worked out program “Cellarheat 2.5”. This program allows to define temperature fields in soil and to determine heating currents through multilayers enclosure constructions of basement premises.. Thanks to heat-resisting properties of underground enclosure constructions the necessary optimal parameters of microclimate in premises are provided.
