CC BY
111
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ КРАЕВЫХ ЗОН ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ НА ТЕПЛОПОТЕРИ ЗДАНИЯ
THE ESTIMATION OF INFLUENCE OF EDGE ZONES OF ENCLOSING STRUCTURES ON HEAT-LOSSES OF A BUILDING
C.B. Корниенко Sergey V. Kornienko
Волгоградский ГАСУ
На основе предложенной методики расчета теплопотерь через оболочку здания с учетом температурно-влажностного режима в краевых зонах ограждающих конструкций дана оценка влияния краевых зон на теплопотери здания.
On the basis of the offered design procedure of heat-losses through enclosure of a building taking into account temperature-humidity conditions in edge zones of enclosing structures the estimation of influence of edge zones on heat-losses of a building is given.
Проблеме повышения теплозащитных свойств ограждающих конструкций на основе анализа температурно-влажностного режима посвящены работы В.Н. Богословского [2, 3], В.Г. Гагарина [4], А.И. Ананьева [1], Т.А. Дацюк [5], А.Г. Перехоженцева [12], В.В. Козлова [6] и других ученых. Указывая приоритетные направления энергосбережения и повышения энергоэффективности зданий, В.Н. Богословский [3] связывает повышение нормативных требований теплозащиты оболочки здания с необходимостью исследования температурно-влажностного режима в краевых зонах многомерных элементов конструкции. Под краевыми зонами мы понимаем локально неоднородные по геометрическим или теплофизическим параметрам участки ограждения. Локализация влаги на этих участках выше допустимых значений приводит к ухудшению влажностного режима, снижая теплозащиту и срок эксплуатации всего здания. Однако сложность расчета и прогнозирования нестационарного тепломассообмена в двух- и трехмерных областях ограждений и отсутствие методов оценки влияния температурно-влажностного режима в краевых зонах на теплозащитные свойства ограждающих конструкций и оболочки здания затрудняет решение этой проблемы.
Автором разработан метод расчета температурно-влажностного режима в трехмерных областях ограждающих конструкций зданий [9] на основе физико-математической модели совместного нестационарного тепловлагопереноса, описываемой системой дифференциальных уравнений в частных производных и краевыми условиями. Указанная модель основана на теории потенциала влажности В.Н. Богословского [2] с применением шкалы абсолютного потенциала влажности, разработанной автором. Использование шкалы абсолютного потенциала влажности [8] позволяет существенно упростить модель тепловлагопереноса. Разработанная физико-математическая модель реализована в компьютерной программе [11], которая позволяет производить расчет трехмерных нестационарных температурных и влажностных полей в краевых зонах ограждающих конструкций в широком диапазоне влажности и
температуры при сложных граничных условиях. Указанный метод позволяет учесть влияние краевых зон на теплозащитные свойства ограждений и оценить теплопотери здания.
Разработана методика расчета трансмиссионных теплопотерь через оболочку здания с учетом температурно-влажностного режима в краевых зонах ограждений.
Рассмотрим произвольную ограждающую конструкцию наружной оболочки здания. Пусть эта конструкция содержит l краевых зон (l > 1). Общие трансмиссионные теплопотери QT через рассматриваемую конструкцию за отопительный период складываются из основных теплопотерь QTbas по глади и добавочных теплопотерь через все краевые зоны данного ограждения [10]:
Qt = Qb* +ÍQad, (i)
¡=i
где Qx¡ad — добавочные теплопотери через i-ю краевую зону ограждения.
Из формулы (1) следует, что общие трансмиссионные теплопотери можно снизить за счет уменьшения как основных теплопотерь по глади, так и добавочных теплопотерь через краевые зоны ограждения.
Основные теплопотери по глади конструкции определяются по формуле: Qbas = 0,0864MhtA
T ту con '
Rh
где 0,0864 — размерный коэффициент, МДж/(Вт-сут); Mht — градусосутки отопительного периода, определяемые по формуле:
Mht = int ~ tht )Zht ,
где tint — температура внутреннего воздуха; tht — средняя температура наружного воздуха за отопительный период; zht — продолжительность отопительного периода; A — площадь ограждения по внутренним размерам; Rhcon — сопротивление теплопередаче по глади конструкции.
Добавочные теплопотери через i-ю краевую зону конструкции определяются по формуле:
rf = 0,0864MhkezA*z
^Ti ту con '
Rh
где kfz, Aieez — соответственно коэффициент влияния и площадь зоны влияния i-й краевой зоны, определяемые на основе расчета температурно-влажностного режима по температурному полю [10].
Под зоной влияния краевой зоны понимается область локального нарушения однородности температурного поля конструкции, вызванного этой краевой зоной. Коэффициент влияния ke краевой зоны определяется по формуле:
des con
kez = Qhi ~Qhi , (2)
i con
Qhi
edes " ■ ^ con "
hi — тепловой поток через i-ю краевую зону; Qhi — тепловой поток по глади i-й краевой зоны.
Коэффициент влияния kiez, определяемый формулой (2), характеризует добавочный тепловой поток через i-ю краевую зону конструкции, отнесенный к тепловому потоку по глади в пределах площади зоны влияния краевой зоны.
Для определения теплового потока Qhides зона влияния разбивается на термически однородные области. Тепловой поток Qhides определяется по формуле:
ßf = 1 ßj,
j=1
где да, — число термически однородных областей i-й краевой зоны; ßhijdes — тепловой поток, проходящий через j-ю термически однородную область г-й краевой зоны, определяемый по формуле:
ßdes _ si j ez ]
hij ~ a hiAij "int ~ lij ),
где ahisi — коэффициент теплообмена у внутренней поверхности i-й краевой зоны; Aijez, tjSi — соответственно площадь и средняя температура j-й термически однородной области i-й краевой зоны.
Для практических расчетов целесообразно использовать формулу [7]:
ßr _ оо^ ^(3)
где у i = к"2А"2 / А — коэффициент добавочных теплопотерь через i-ю краевую зону.
Формула (3) позволяет рассчитать общие теплопотери ограждения за отопительный период с учетом краевых зон и оценить вклад каждой краевой зоны в теплопотери.
Для оболочки здания, состоящей из n ограждающих конструкций (n > 1), удельные трансмиссионные теплопотери qT определяют по формуле:
1n
qT ßTk ,
Vh к-1
где Vh — отапливаемый объем здания; ßTk — общие трансмиссионные теплопотери через k-ю конструкцию.
Разработанная методика иллюстрируется примером.
Жилое многоквартирное здание имеет квадратную форму в плане с размерами в осях 27,6x27,6 м. Количество этажей 17. Отапливаемый объем здания Vh = 38785 м3. Пункт строительства Волгоград. Конструктивная схема здания каркасная, с монолитным железобетонным каркасом. Наружные стены кирпичные трехслойные с эффективным утеплителем и поэтажным опиранием на перекрытия. Окна и балконные двери — в виде двухкамерных стеклопакетов в деревянных переплетах. Покрытие, перекрытия теплого чердака и над техподпольем имеют эффективный утеплитель.
Выполним расчет трансмиссионных теплопотерь через оболочку здания за отопительный период при следующих параметрах: tint = 20 °С; tht = -2,4 °С; zht = 177 сут/год.
Условно разобьем оболочку здания на ограждающие конструкции (n = 6): наружные стены (А1 = 4494 м2, Rh1con = 4,06 м2-°С/Вт), окна и балконные двери (А2 = 1576 м2, Rh2con = 0,68 м2-°С/Вт), входные двери (А3 = 55 м2, Rh3con = 0,78 м2-°С/Вт), совмещенное покрытие (А4 = 412 м2, Rh4con = 4,22 м2-°С/Вт), перекрытие теплого чердака (А5 = 381 м2, Rh5con = 3,68 м2-°С/Вт), перекрытие над техподпольем (А6 = 793 м2, Rh6con = 3,68 м2-°С/Вт).
Рассмотрим следующие варианты расчета: 0 (базовый) — без учета краевых зон; 1 и 2 — с различным конструктивным решением краевых зон.
В наружной стене выделим краевые зоны: углы; сопряжения наружной стены с внутренними стенами и междуэтажными перекрытиями; оконные откосы; теплопроводные включения.
В оконном блоке выделим краевые зоны: сопряжение стеклопакета со створкой; сопряжение коробки с наружной стеной.
Рассмотрим различные варианты конструктивного решения краевых зон.
Вариант 1:
углы, сопряжения наружной стены с внутренними стенами и междуэтажными перекрытиями без теплоизоляционных вкладышей;
теплопроводные включения в виде ребер жесткости колодцевой кладки;
оконный блок с узкой коробкой.
Вариант 2:
углы, сопряжения наружной стены с внутренними стенами и междуэтажными перекрытиями с теплоизоляционными вкладышами;
теплопроводные включения в виде пластмассовых малотеплопроводных коннекторов;
оконный блок с широкой коробкой.
Краевые зоны покрытия, перекрытий теплого чердака и над техподпольем в обоих вариантах определены по проекту.
Результаты расчета удельных добавочных теплопотерь, МДж/(м3-год), с учетом краевых зон ограждающих конструкций по варианту 1 приведены в табл. 1.
Таблица 1
Удельные добавочные теплопотери по краевым зонам ограждений (вариант 1)
Ограждающая конструкция Краевая зона Коэффициент добавочных теплопотерь Удельные добавочные теплопотери
Наружные стены Угол наружной стены 0,021 0,21
Сопряжение наружной стены с внутренними стенами 0,0531 0,52
Сопряжение наружной стены с междуэтажным перекрытием 0,186 1,82
Оконные откосы 0,101 0,99
Теплопроводные включения 0,517 5,06
Окна, балконные двери Сопряжение стеклопакета со створкой 0,098 2,01
Сопряжение коробки оконного блока с наружной стеной 0,053 1,08
Входные двери Сопряжение стеклопакета со створкой 0,098 0,06
Сопряжение коробки дверного блока с наружной стеной 0,053 0,03
Покрытие совмещенное Сопряжение покрытия с наружной стеной 0,252 0,22
Перекрытие теплого чердака Сопряжение перекрытия с наружной стеной 0,252 0,23
Перекрытие над техподпольем Сопряжение перекрытия с наружной стеной 0,252 0,48
Из табл. 1 видно, что добавочные теплопотери происходят в основном через наружные стены. При этом максимальный вклад в теплопотери через краевые зоны дают теплопроводные включения.
Совершенствование конструктивного решения краевых зон позволяет снизить добавочные теплопотери через ограждения (табл. 2).
Таблица 2
Удельные добавочные теплопотери по краевым зонам ограждений (вариант 2)
Ограждающая конструкция Краевая зона Коэффициент добавочных теплопотерь Удельные добавочные теплопотери
Наружные стены Угол наружной стены 0,015 0,15
Сопряжение наружной стены с внутренними стенами 0,0158 0,15
Сопряжение наружной стены с междуэтажным перекрытием 0,149 1,46
Оконные откосы 0,0154 0,15
Теплопроводные включения 0,052 0,51
Окна, балконные двери Сопряжение стеклопакета со створкой 0 0
Сопряжение коробки оконного блока с наружной стеной 0 0
Входные двери Сопряжение стеклопакета со створкой 0 0
Сопряжение коробки дверного блока с наружной стеной 0 0
Покрытие совмещенное Сопряжение покрытия с наружной стеной 0,127 0,11
Перекрытие теплого чердака Сопряжение перекрытия с наружной стеной 0,127 0,11
Перекрытие над техподпольем Сопряжение перекрытия с наружной стеной 0,127 0,11
Удельные трансмиссионные теплопотери через оболочку здания для указанных вариантов расчета приведены в табл. 3.
Таблица 3
Удельные трансмиссионные теплопотери через оболочку здания
Ограждающая конструкция Удельные трансмиссионные теплопотери МДж/(м3тод), по вариантам
0 1 2
Наружные стены 9,78 18,4 12,2
Окна, балконные двери 20,5 23,6 20,5
Входные двери 0,623 0,623 0,623
Покрытие совмещенное 0,862 1,18 0,958
Перекрытие теплого чердака 0,914 1,14 1,02
Перекрытие над техподпольем 1,90 2,38 2,12
Итого 34,6 47,3 37,4
Анализ полученных результатов показывает, что учет краевых зон по варианту 1 повышает удельные трансмиссионные теплопотери через оболочку здания на 37 %. Таким образом, температурно-влажностный режим в краевых зонах ограждений оказывает существенное влияние на удельный расход энергии. Поэтому в реальном проектировании необходимо учитывать это влияние. Совершенствование конструктивного решения наружных ограждений (вариант 2) приводит к снижению удельных трансмиссионных теплопотерь через оболочку здания на 29 %.
Полученные результаты могут быть включены в энергетический паспорт здания и использованы для оценки его энергоэффективности.
Литература
1. Ананьев А.И. Научно-технические основы повышения теплозащитных качеств и долговечности наружных ограждающих конструкций зданий из штучных материалов: автореф. дис. ... д-ра техн. наук: 05.23.01, 05.23.03. М.: НИИСФ РААСН, 1998. 40 с.
2. Богословский В.Н. Тепловой режим здания. М.: Стройиздат, 1979. 248 с.
3. Богословский В.Н. Три аспекта концепции ЗЭИЭ и особенности переходного периода // Проблемы строительной теплофизики и энергосбережения в зданиях: сб. докл. науч.-практ. конф. / под ред. В.Г. Гагарина. М.: НИИСФ РААСН, 1997. Т.1. С. 7—9.
4. Гагарин В.Г. Теория состояния и переноса влаги в строительных материалах и теплозащитные свойства ограждающих конструкций зданий: автореф. дис. ... д-ра техн. наук: 05.23.01, 05.23.03. М.: НИИСФ РААСН, 2000. 48 с.
5. Качество теплоснабжения городов / Е.П. Кузнецов, Н.В. Кобышева, ТА. Дацюк и др. СПб.: ПЭИПК, 2004. 295 с.
6. Козлов В.В. Метод инженерной оценки влажностного состояния современных ограждающих конструкций с повышенным уровнем теплозащиты при учете паропроницаемости, вла-гопроводности и фильтрации воздуха: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.23.01, 05.23.03. М.: НИИСФ РААСН, 2004. 24 с.
7. Корниенко С.В. Повышение энергоэффективности зданий за счет снижения теплопотерь через краевые зоны ограждающих конструкций // Academia. Архитектура и строительство. 2010. № 3. С. 348—351.
8. Корниенко С.В. Потенциал влажности для определения влажностного состояния материалов наружных ограждений в неизотермических условиях // Строительные материалы. 2006. № 4. С. 88—89.
9. Корниенко С.В. Решение трехмерной задачи совместного нестационарного тепло- и вла-гопереноса для ограждающих конструкций зданий // Строительные материалы. 2007. № 10. С. 54—55.
10. Корниенко С.В. Снижение теплопотерь за счет совершенствования краевых зон ограждающих конструкций // Жилищное строительство. 2010. № 3. С. 31—32.
11. Корниенко С.В. Совместный влаготеплоперенос (СОВТ) / Свидетельство № 2011611175 о государственной регистрации программы для ЭВМ. М.: ФИПС, 2011.
12. Перехоженцев А.Г. Теоретические основы и методы расчета температурно-влажностного режима ограждающих конструкций зданий. Волгоград: ВолгГАСУ, 2008. 212 с.
Literature
1. Ananiev A.I. The scientific and technical bases of increase of heat-shielding qualities and durability of external enclosing structures of buildings from piece materials: The author's abstract of the dissertation of a Dr. Sci. Tech.: 05.23.01, 05.23.03. M: NIISF RAABS, 1998. 40 p.
2. Bogoslovsky V.N. A thermal mode of a building. M: Stroyizdat, 1979. 248 p.
3. Bogoslovsky V.N. Three aspects of concept of the energy effective building and peculiarities of a transition period // Problems of building thermophysics and energy-savings in buildings: The collection of reports of scientifically-practical conference / edited by V.G. Gagarin. M: NIISF RAABS, 1997. V.1. P. 7—9.
4. Gagarin V.G. The theory of a condition and transfer of a moisture in building materials and heat-shielding properties of enclosures of buildings: The author's abstract of the dissertation of a Dr. Sci. Tech.: 05.23.01, 05.23.03. M: NIISF RAABS, 2000. 48 p.
5. The quality of a heat supply of cities / E.P. Kuznetsov, N.V. Kobysheva, T.A. Datsyuk, etc. SPb.: PAIPK, 2004. 295 p.
6. Kozlov V.V. The method of an engineering estimation of moisture condition of modern enclosing structures with the raised level of a heat-shielding at the account of vapour permibility, moisture conductivity and air filtration: The author's abstract of the dissertation of Cand. Tech. Sci.: 05.23.01, 05.23.03. M: NIISF RAABS, 2004. 24 p.
7. Kornienko S.V. Increasing of energy efficiency of buildings at the expense of decrease heat-losses through edge zones of enclosures // Academia. Architecture and building. 2010. № 3. P. 348— 351.
8. Kornienko S.V. The potential of humidity for definition of moisture condition of materials of external enclosing structures in non isothermal conditions // Construction materials. 2006. № 4. P. 88— 89.
9. Kornienko S.V. The decision of a three-dimensional problem combined non-stationary heat-and moisture conduction for enclosing structures of buildings // Construction materials. 2007. № 10. P. 54—55.
10. Kornienko S.V. Decrease of heat-losses at the expense of perfection of edge zones of enclosing structures // Housing construction. 2010. № 3. P. 31—32.
11. Kornienko S.V. The combined moisture- and heat conduction (SOVT) / The Certificate № 2011611175 about the state registration of the computer program. M: FIIP, 2011.
12. Perehozhentsev A.G. Theoretical bases and calculation methods of temperature and moisture mode of enclosing structures of buildings. Volgograd: VolgGASU, 2008. 212 p.
Ключевые слова: оболочка здания, ограждающие конструкции, краевые зоны, энергоэффективность здания, теплопотери, температурно-влажностный режим, сопротивление теплопередаче, градусосутки отопительного периода, коэффициент добавочных теплопотерь.
Key words: enclosure of a building, enclosing structures, edge zones, energy efficiency of a building, heat-losses, temperature-humidity conditions, heat transfer resistance, heating degree-days, additive heat-losses coefficient.
Тел. (8442) 96-98-16 (сл.)
E-mail: [email protected].
