CC BY
23К 70-летию В.С. Грызлова
13 августа 2013 г. исполнилось 70лет доктору технических наук, профессору, советнику РААСН, заслуженному деятелю науки Российской Федерации, почетному строителю России, почетному работнику высшего профессионального образования России, действительному члену Академии проблем качества, заведующему кафедрой «Строительство» Череповецкого государственного университета Владимиру Сергеевичу Грызлову.
В.С. Грызлов окончил строительно-технологический факультет Воронежского инженерно-строительного института в 1965 г. Работал мастером на заводе ЖБИ в г. Липецке. Тяга к исследовательской работе привела Владимира Сергеевича в Центральную научно-исследовательскую лабораторию по строительству и стройматериалам Главлипецкстроя Минстроя СССР, где он работал инженером, а затем заведующим отделом использования шлаков в строительстве. Его научная деятельность в области строительного материаловедения, в частности по разработке и исследованию технологических параметров повышения эксплуатационных свойств ограждающих конструкций из шлакопемзобетона, увенчалась защитой в 1976 г. в диссертационном совете НИИ бетона и железобетона (Москва) кандидатской диссертации.
С 1980 г. Владимир Сергеевич начал преподавать в Липецком политехническом институте, и с тех пор его жизнь связана с решением проблем образования и подготовки специалистов в области строительного материаловедения. В 1990 г.в диссертационном совете Института железнодорожного транспорта (Ленинград) Владимир Сергеевич защитил докторскую диссертацию и с 1991 г. возглавил Череповецкий филиал Вологодского политехнического института. В эти годы сформировалась научная школа по использованию шлаков в строительстве Северо-Западного региона России под руководством В.С. Грызлова. В 1990 г. в диссертационном совете Ленинградского института железнодорожного транспорта он защитил докторскую диссертацию.
В 1993 г. Владимир Сергеевич был избран ректором открытого в г. Череповце Государственного индустриального института, а в 1996 г. стал первым ректором Череповецкого государственного университета. Благодаря целеустремленности и открытости для всего нового ему удалось вывести Череповецкий государственный университет на совершенно новый уровень. В настоящее время В.С. Грызлов является заведующим кафедрой «Строительство», активно участвует в образовательном процессе студентов и аспирантов университета.
Владимир Сергеевич Грызлов — один из крупных ученых-материаловедов в области строительства, которому удалось воплотить в реальную жизнь использование доменных шлаков в строительных конструкциях с повышенными теплотехническими свойствами, прогнозировать их работу при эксплуатации и влиять на технологию изготовления с точки зрения требуемых качественных показателей.
В.С. Грызлов — автор более 250 печатных научных трудов, 17 авторских свидетельств и патентов, 6 монографий. Под его руководством подготовлено и защищено 15 кандидатских диссертаций. Ученики Владимира Сергеевича продолжают научную и творческую деятельность в области строительного материаловедения. Заслуги В.С. Грызлова отмечены в энциклопедии «Лучшие люди России». За интеграцию образования Владимир Сергеевич награжден орденом Королевы Виктории (Лондон, 2005 г.) и почетной медалью «За развитие международного сотрудничества» (Париж, 2006 г.).
Редакция и редакционный совет, коллеги и ученики сердечно поздравляют Владимира Сергеевича Грызлова с юбилеем и желают ему крепкого здоровья, новых творческих и научных достижений, радости и оптимизма.
УДК 692.23
В.С. ГРЫЗЛОВ, д-р техн. наук, С.Н. КУРОЧКИН, инженер, Череповецкий государственный университет
Оценка тепловой инерционности при теплотехническом расчете ограждающих конструкций
В строительной теплотехнике большое значение имеют вопросы, связанные с периодическими колебаниями температур и тепловых потоков. Температура наружного воздуха, интенсивность солнечной радиации, влажность, сила и направление ветра непрерывно меняются. Поэтому в естественных условиях режим теплопередачи через ограждения практически всегда является нестационарным.
Очевидно, что тепловые потери дома зависят от физико-географических условий, в первую очередь от суровости зимы. В первом приближении теплопотери
пропорциональны снижению температуры и длительности периода с низкими температурами. Как вариант, суровость отопительного сезона характеризуется числом градусо-суток отопительного периода (ГСОП) Dd. Временные границы отопительного сезона по российским нормативам (в других странах они иные) определяются устойчивым переходом среднесуточных температур наружного воздуха через +8оС.
С другой стороны, суровость отопительного периода характеризуют пиковые низкие температуры (наиболее
август 2013
73
Таблица 1
Сравнительные данные нормируемых значений температурных регламентов и сопротивлений теплопередаче для некоторых городов Северо-Запада России
Температура, оС с обеспеченностью О 8 С -
наиболее холодных пяти дней наиболее холодных суток й -0 н Л о 3 N V о яя а т: а ^.он ю с^т , 01 сос^ . . | н о, о" т ногпШ^ СС этоО 1 1 со и ° ^ ч— Ё 2 ССЮ^ с о
Город Ь5 0,98 Ь, 0,92 Ьс 0,98 Ьс 0,92 лд ео 1 * о нр и ш с м е т с о С « оо 7С0 ° 2. и 5 о. -9 _ О СС и) яс^и с . СС ю С С
Архангельск -32 -31 -37 -36 251 -4,7 6451 1,51 3,66 2,306
Мурманск -29 -27 -35 -32 281 -3,3 6828 1,39 3,79 2,388
Череповец -36 -31 -40 -36 225 -4,3 5798 1,52 3,43 2,161
холодных суток, наиболее холодной пятидневки, абсолютной минимальной), которые создают наибольшую напряженность для теплозащитных способностей ограждающих конструкций (табл. 1).
Поэтому прежде всего влияет на экономические показатели теплозащиты и в меньшей степени может рассматриваться как теплофизический фактор при ее проектировании. Более того, приведенная в СП 50.13330—2012 «Тепловая защита зданий. Актуализированная редакция» формула R0P=aDd+6 дана без пояснения физического смысла коэффициентов а, Ь и соответствия их размерности.
Немаловажную роль для зимней и летней теплозащиты играет свойство аккумулировать теплоту в ограждающих конструкций. В теплотехнических расчетах это связано с понятием массивности стен, характеризующихся величиной тепловой инерции (Б) — численно равной сумме произведений термических сопротивлений отдельных слоев ограждающей конструкции на коэффициенты теплоусвоения (5) материала этих слоев. Тепловая инерция также характеризует степень затухания амплитуды колебаний температуры наружного воздуха и влияния ее на амплитуду колебаний температуры воздуха внутри помещения. Чем больше теплонакопи-тельная способность ограждающей конструкции, тем менее влиятельны колебания наружного воздуха.
Наиболее холодные и жаркие периоды года отмечены особенно резкими изменениями температуры и сол-
нечной радиации. Эти периоды наибольшего охлаждения и наибольшего нагрева при проектировании ограждений и систем отопления являются расчетными, поэтому основные теплотехнические расчеты должны выполняться с учетом нестационарности условий. Умение рассчитывать переменные процессы необходимо также для правильной замены сложного нестационарного явления простым стационарным. При этом надо находить такие условия замены, при которых точность упрощенного расчета не выйдет за пределы допустимых погрешностей. Следовательно, при назначении величины минимально допустимого сопротивления теплопередаче ограждения должно выполняться условие:
ЯтЫ = Ср + ДСр, (1);
где Ят„ — минимально допустимое сопротивление теплопередаче ограждения, м2-°С/Вт; Лд — санитарно-гигиенически допустимое сопротивление теплопередаче, м2оС/Вт (по СП 50.13330-2012, формула 5.4), при котором обеспечивается недопущение конденсации влаги на внутренней поверхности ограждения, другими словами, нижний допустимый уровень Ятп; ДЩ — поправка, учитывающая нестационарность теплопередачи и инерционность конструкции.
Из теории теплоустойчивости известно, что коэффициент теплоинерционности ф, учитывающий нестационарность теплопередачи, меняется в пределах 0<ф<1 (По кн. В.Н. Богословский. «Строительная теплофизи-
Внешняя поверхность Сечение Внутренняя поверхность
Рис. 1. Схема экспериментального стенда
74
август 2013
/Л ®
Таблица 2
Характеристики фрагментов ограждающих конструкций
Слой материала Фрагменты ограждающих конструкций
(от наружной поверхности) 1 2 3 4 5 6 7
Материал Керамзитобетон Пенобетон Газобетон ГВЛ Кнауф ГВЛ Кнауф ^ОР1_ДДТ ГВЛ Кнауф
б, м 0,3 0,3 0,185 0,01 0,01 0,012 0,01
1 X, Вт/(м°С) 0,24 0,22 0,088 0,29 0,29 0,05 0,29
у, кг/м3 900 600 400 1100 1100 250 1100
в, Вт/(м2.оС) 4,47 3,36 1,74 4,4 4,4 1,57 4,4
Материал - - - Полистирол-бетон Пенополи-стирол ROCWOOL 1_ЮНТВД^ Пенополи-стирол
2 б, м - - - 0,21 0,05 0,196 0,05
X, Вт/(м°С) - - - 0,142 0,029 0,045 0,041
у, кг/м3 - - - 500 25 37 40
в, Вт/(м2.оС) - - - 2,52 0,27 0,33 0,41
Материал - - - - Кирпич керамический ГВЛ Кнауф ГВЛ Кнауф
б, м - - - - 0,12 0,01 0,01
3 X, Вт/(м°С) - - - - 0,35 0,29 0,29
у, кг/м3 - - - - 1200 1100 1100
в, Вт/(м2.оС) - - - - 5,31 4,4 4,4
D 5,6 4,6 3,6 3,9 2,4 2 0,86
Примечания: б - толщина слоя; X - коэффициент теплопроводности, определялся в натурных условиях зондовым методом - прибором ИТП МГ4 «Зонд»; у - плотность; в - коэффициент теплоусвоения.
ка». М.: Высшая школа, 1982. 415 с.). Если принять ф тодик, однако большинство из них связано с оценкой
наиболее массивной конструкции за единицу, то менее теплоустойчивости ограждающих конструкций в лет-
массивные конструкции должны достигать такой инер- ний период и не в полной мере отражает реальные усло-ционности за счет ее увеличения до единицы, т. е. Д=1—ф. Подставив это условие в (1), получим:
Rm¡n = ^нор (2-ф). (2)
Коэффициент ф можно определить, используя инженерную методику с некоторыми уточнениями. Получаем, что отношение амплитуды колебаний наружной температуры Лн к амплитуде колебаний температуры внутренней поверхности ограждения АТв в условиях нестационарной теплопередачи периода резкого похолодания записывается в виде:
(Лн / Атв) = ф(^нор / Rв), (3)
где Rв — сопротивление теплообмену на внутренней поверхности.
Из формулы (3) ф можно представить в виде:
ф = у(Яв / Roнор), (3')
где V = А^А^ — показатель сквозного затухания в ограждении разового отклонения Лн температурной волны, зависящей от тепловой инерции конструкции D.
Подставив (3') в (2), получаем уравнение для назначения требуемого сопротивления теплопередаче с учетом тепловой инерции (массивности) ограждающей конструкции:
Rmin = 2RHop - vRв. (4)
Для расчета V в научно-технической литературе предлагается ряд формул и ме-
а
ц, Вт/м2 70 -60 -50 I 40 :
зо: 20:
10: 0
ь ос 70 60 50 40 30 20 10 0 10 20 30
ц, Вт/м2 50
Ь оС 50
Дата и время измерения показаний приборов
40 40 30 30 20 20 10 10 00 -10
« М ч ^ р « 4 ^ ^ ^ Л 1 5 £ 3 С а а
О
^Ч о О ■==■=00 с. О н и ООО с « Л) о О О С «) Н
- 7
'н
Рис. 2. Результаты испытаний: а - фрагмента № 1; б - фрагмента № 7: q - тепловой поток; ^ - температура наружного воздуха; тн - температура на наружной поверхности фрагмента; Тв - температура на внутренней поверхности фрагмента; - температура внутреннего воздуха на расстоянии 10 см от поверхности стены; tв - температура внутри помещения
б
¡■Л ®
август 2013
75
Таблица 3
Расчет показателей тепловой инерционности и Rmin
Фрагмент D v z=12 Ф z=12 RTc, м2-°С/Вт R экс R0 , м2-°С/Вт Rrnin при R0H°P=1,52 м2°С/Вт (для г. Череповца)
по 2 по 4 rTc
1 5,6 10,2 0,83 0,11 1,355 1,778 1,847 1,898
2 4,6 7,81 0,78 0,159 1,582 1,854 2,122 1,778
4 3,95 5,53 0,69 0,16 1,282 1,991 2,382 2,135
3 3,6 2,87 0,37 0,17 1,331 2,477 2,689 2,532
5 2,43 2,82 0,35 0,15 1,208 2,508 2,696 2,597
6 1,96 2,94 0,16 0,095 1,723 2,797 2,682 2,741
7 0,86 0,56 0,05 0,131 1,622 2,964 2,955 2,947
Примечание. z - период колебания теплового потока, ч; яВ*0, Я0экс - экспериментально-статистические значения.
вия нестационарной теплопередачи в холодное время года. Поэтому требуется экспериментально статистическое уточнение v и ф.
На кафедре «Строительство» Череповецкого государственного университета разработан специальный стенд [1] для проведения длительных натурных теплотехнических исследований (рис. 1).
Стенд позволяет проводить натурные испытания одновременно на четырех фрагментах, что дает возможность достоверного сравнения разных слоистых и однородных композитов в идентичных температурных условиях. Измерения и анализ осуществляются посредством измерительно-вычислительного комплекса, состоящего из: набора термопар и тепломеров для измерения температур и плотности теплового потока; электронного регистратора «Параграф-М» для регистрации полученных физических величин; метеостанции Oregon Scientific для определения наружных и внутренних условий проведения эксперимента; измерителя теплопроводности ИТП МГ4 «Зонд»; компьютера для анализа полученных данных. Точность полученных результатов измерений достигается использованием измерительных устройств высокой точности и соблюдением граничных условий третьего рода за счет эффективной теплоизоляции фрагментов по периметру.
Натурные испытания проводились в эксплуатационные отопительные периоды 2011—2013 гг. Был выбран ряд характерных фрагментов наружных стен жилых зданий, характеристики которых приведены в табл. 2.
Во время испытаний с помощью термопар измерялась температура внутренней и наружной поверхностей фрагментов и плотность удельного теплового потока q, Вт/(м2-°С), проходящего через внутреннюю поверхность фрагментов. Также измерялась температура и влажность внутреннего и наружного воздуха. Значения измерений фиксировались каждые пять минут. Это позволило получить четкую, детальную картину происходящих изменений температуры и плотности теплового потока.
На рис. 2 представлены фактические результаты измерения тепловых потоков и температур в некоторых испытанных фрагментах. Наглядно демонстрируется влияние нестационарности теплопередачи, вызванное дневными всплесками температур на наружной поверхности за счет солнечной радиации. Одновременно показано, что инерционность и температуропроводность фрагментов оказывают определенное влияние на временное смещение экстремумов тепловых потоков и температур на внутренней поверхности. Например, для фрагмента 1 (рис. 2, а) такие смещения наблюдаются в интервале 8—12 ч, для фрагмента 7 смещений практически нет, для других фрагментов — в пределах 3—8 ч. У фрагмента 7 практически отсутствует тепловая инерционность, что в свою очередь исключает теплоаккумулирующую способ-
ность и приводит к завышенному теплообмену на наружной поверхности. На рис. 2, б показано, что изменение теплового потока и температуры на внутренней поверхности фрагмента 7 происходит без сдвига во времени.
Результаты расчета коэффициента тепловой инерционности по формуле 3 с учетом экспериментально-статистических значений амплитуд колебания наружной температуры и на внутренней поверхности, а также
л экс л экс
Re , R0 подтвердили пропорциональную зависимость ф от D (табл. 3).
Таким образом, оценка тепловой инерционности ограждающей оболочки зданий позволяет определенным образом корректировать ее сопротивление теплопередаче и более рационально подходить к вопросам энергоресурсосбережения при проектировании многослойных конструкций наружных стен.
Ключевые слова: ограждающие конструкции, тепловая инерционность, массивность, нестационарная теплопередача.
Литература
1. Грызлов В.С., Каптюшина А.Г., Курочкин С.Н. Тепловая защита и энергоэффективность зданий. Череповец: Изд-во ЧГУ, 2011. 166 с.
К 70-летию В.С. Грызлова выпущен сборник «Избранные труды», который содержит 50 научно-технических статей, посвященных вопросам строительного материаловедения, теории технологии и теплофизики легких бетонов, рециклингу техногенных отходов, проблемам высшего образования.
Статьи охватывают большой период научно-исследовательской и педагогической деятельности профессора В.С. Грызлова и представляют собой теоретическое обоснование материало-ведческого подхода в решении практических задач структурной механики и теплофизики строительных композитов.
Издание рассчитано на широкий круг инженерно-технических и педагогических работников, занятых в сфере строительного направления, а также магистрантов и аспирантов.
По вопросам приобретения обращаться в Череповецкий государственный университет по адресу: 166000, г. Череповец, пр. Луначарского, 5.
Тел. 8 964 723 26 68.
научно-технический и производственный журнал ■Q'j'pyyrj'SjJ.yj-liyJS 76 август 2013 Ы *
