CC BY
68
1/2011 ВЕСТНИК
_МГСУ
СОПРОТИВЛЕНИЕ ТЕПЛОПЕРЕДАЧЕ СТЕН С ОКОННЫМИ
ПРОЕМАМИ
THERMAL RESISTANCE OF WALLS WITH WINDOW OPENINGS
B.M. Туснина, A.P. Туснин
V.M. Tusnina, A.R. Tusnin
ГОУВПОМГСУ
Анализируются результаты исследований теплофизических свойств наружных стен зданий на основе численного расчета температурных полей.
Analyzes the results of studies of thermo physical properties of the exterior walls of buildings on the basis of numerical calculation of temperature fields.
При проектировании стен с окнами с учетом современных требований по теплозащите зданий[1] нормируют общее сопротивление теплопередаче стен и окон отдельно. Определение общего сопротивления стен на практике чаще всего сводится к расчету многослойного ограждения без проемов, либо к расчету неоднородного ограждения по приближенным формулам. При таком подходе не учитывается распределение температуры в реальной конструкции, обусловленное наличием окна, откосов оконных проёмов, перемычек и т.п.элементов, существенно влияющих на потери тепла через стену. Особенно важно точно знать распределение температуры и суммарные потери тепла в стенах с повышенным сопротивлением теплопередаче, где из-за наличия окон, примыкающихконструкций и теплопроводных включений (перемычек, анкеров и т.п.) приведенное сопротивление ограждения может оказаться намного меньше, чем определенное приближенными методами.
С целью определения теплопотерь и общего сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций при наличии теплопроводных включений и оконных проемов были исследованы различные конструкции наружных стен. Рассматривалась теплопередача через наружное стеновое ограждение жилого дома с высотой этажа 2.8 м, с окнами, имеющими размеры в четвертях 1.22x1.435 м. Расстояние между осями кирпичных перегородок толщиной 0.12 м принято равным 3 м. Примыкающие к стене перекрытия приняты сборными из железобетонных пустотных плит толщиной 0.22 м (рис.1). Ограждение рассчитано для эксплуатации в Брестской области (юго-запад Беларуси). Требуемое сопротивление теплопередаче составляет 2 м2-град./Вт.
На рис. 2 представлены сечения 1-1 и 2-2 трех исследованных вариантов наружных стен. Стена 1-го типа состоит из внутреннего кирпичного слоя толщиной 0.51 м, слоя утеплителя из пенополистирола толщиной 0.1 ми наружного слоя, выполненного из облицовочных гипсовых плит толщиной 0.08 м. Наружная облицовка связана
ВЕСТНИК МГСУ
1/2011
со слоем кирпича арматурными стержнями диаметром 10 мм, установленных с шагом 0.5 м по высоте и ширине. Кроме того, в уровне перекрытия по всей длине стены установлена железобетонная плита толщиной 75 мм, соединяющая несущий слой из кирпича и облицовочный слой из гипса. Стена 2-го типа состоит из наружного слоя кирпича толщиной 0.51 м, пенополистирольного утеплителя толщиной 0.05 м и внутреннего облицовочного слоя из гипсовых плит толщиной 0.08 м. Внутренняя облицовка в стене 2-го типа связана со слоем из кирпича арматурными стержнями диаметром 10 мм с шагом 1.0 м по высоте и ширине. Стена 3-го типа - сплошная кладка из кирпича толщиной 0.51 м.
Рис. 1
Исследуемые ограждения рассчитывались с использованием метода контрольного объема [2] по программе «ТБРЬ» [3], разработанной авторами.
Расчетная схема включает часть ограждения, выделенную на рис.1 штриховкой. При этом границы расчетной области выбраны так, чтобы поток тепла в направлении нормальном границам равнялся нулю. Кроме стены в расчетную схему включены части примыкающих перегородок и перекрытий шириной 0.66 м, что равно утроенной толщине перекрытия. При составлении расчетной схемы учтены известные рекомендации [4].
1/2011
ВЕСТНИК _МГСУ
Рис. 2
Потери тепла происходят на всех внутренних поверхностях ограждения и примыкающих к нему конструкций :на внутренней поверхности стен, откосах окна, внутренней поверхности окна, примыкающих перегородках и перекрытиях. В таблице 1 представлены потоки тепла через перечисленные поверхности и суммарные теплопо-тери для стен трех типов.
Таблица 1
Потери тепла через ограждение, Вт
Поверхность
Тип стены Внутренняя по- Откосы Перегородки Окно Суммарные
верхность стены окна и перекрытия теплопотери
1 50.96 27.88 14.44 106.83 200.11
2 37.71 45.76 18.92 118.86 221.25
3 137.78 46.75 39.33 114.96 338.82
Анализ распределения потоков тепла показал, что теплопотери через внутреннюю поверхность стены максимальны для стены 3-го типа и минимальны для стены 2-го типа. Поток тепла через откосы окна наименьший для стены 1-го типа, а для стен 2-го и 3-го типов эти потоки почти равны. Поток тепла через перегородки и перекрытия для стен 1-го и 2-го типов отличаются незначительно, а для стены 3-го типа - больше в 2.1 - 2.7 раза. Теплопотери через окна в стенах рассмотренных типов отличаются не более, чем на 11% и определяются в основном конструкцией окна. Потери тепла через внутреннюю поверхность стены составляют в суммарном потоке тепла от 17% (для стены 2-го типа) до 41% (для стены 3-го типа). Через откосы окна в стене 2-го типа уходит до 21%, а в стенах 1-го и 3-го типов - до 14% тепла. Вклад перегородок и перекрытий в суммарные потери тепла невелик и составляет для стен: 1-го типа 7%, 2-го типа 9%, 3-го типа 12%. При этом в стенах 1-го и 2-го типов примерно половина всех потерь тепла приходится на окна. В стене из кирпича через окно уходит лишь треть тепловой энергии. Поэтому в стенах с повышенным сопротивлением теплопередаче следует для экономии тепла применять современные окна с большим сопротивлением теплопередаче. Только в этом случае можно реализовать все достоинства стен с повышенным сопротивлением теплопередаче. Суммарные потери тепла через ограждения 1-го и 2-го типов меньше, чем через традиционную стену из сплошного кирпича в 1.5 - 1.7 раза, что говорит о существенной экономии топлива на обогрев в отопительный сезон зданий с такими стенами.
Параметром, характеризующим теплотехнические качества ограждений, является общее сопротивление теплопередаче. Для многослойной конструкции этот параметр может быть определен как сумма термических сопротивлений слоев с сопротивлениями тепловосприятию и теплоотдачи. Для неоднородных конструкций, какими являются рассматриваемые ограждения, это сопротивление (Ку)назовем условным. Его следует использовать для оценки потенциальных теплотехнических свойств конструкции. Наиболее корректно величину этого сопротивления определять по результатам расчета температурного поля, как приведенного сопротивления теплопередаче [1]:
Ro = (tint - text)/ q , где tint - температура внутреннего воздуха; text - температура наружного воздуха;
q- плотность потока тепла, отнесённая к расчетной поверхности (для стены с окнами это внутренняя поверхность стены).
В зависимости от того, какие потери тепла учитываются, можно выделить следующие плотности потока тепла: q1 - при учете потерь тепла только на внутренней поверхности стены; q2 - при учете потерь тепла на внутренней поверхности стены и откосах окна; q3 - при учете потерь тепла на внутренней поверхности стены, откосах
1/2011 ВЕСТНИК _У2011_МГСУ
ина примыкающих к наружной стенеучастках перегородок и перекрытий. Кроме того, может быть определено фактическое сопротивление теплопередаче ограждения если при вычислении плотности потока тепла (Яф) учитываются суммарные теплопотери через ограждение, а в качестве расчетной площади принята суммарная площадь внутренней поверхности стены и окна. Плотности потоков тепла определяются по формулам:
Я1 = 01 / А;
42 = (01 + 02)/ А;
Яз = (01 + 02 + 0з )/ А;
Яф = (01 + 02+ 0з+ 04 )/ Аф, где 01 - поток тепла через внутреннюю поверхность стен; 02 - поток тепла через откосы; 0з - поток тепла через примыкающие перегородки и перекрытия; 04 - поток тепла через окно; А - площадь внутренней поверхности стены; Аф - суммарная площадь внутренней поверхности стены и окна.
Соответственно могут быть рассмотрены приведенные сопротивления теплопередаче, учитывающие потери тепла на: внутренней поверхности стены (Я1), внутренней поверхности стены и откосах окна (Я2), внутренней поверхности стены, откосах окна и примыкающих перегородках и перекрытиях (Я3) и на всех внутренних поверхностях или фактическое сопротивление (Яф).
Таблица 2
Общие сопротивления теплопередаче, м2оС/Вт
Тип стены Сопротивление теплопредаче
Я1 Я2 Я3 Кф
1 3.368 2.320 1.490 1.267 0.804
2 2.368 3.134 1.416 1.154 0.717
3 0.788 0.858 1.641 0.525 0.475
Анализ результатов расчета показал, что не учет потерь тепла через откосы окон может даже привести, в связи с эффектом увеличения температуры внутренней поверхности стены по мере приближения к окну, к превышению сопротивления Я1над условным Яу. Для стены 2-го типа это превышение составляет 1.3 раза, а для стены 3-го типа - 1.1 раза. При этом стены 1-го и 2-го типов имеют сопротивления теплопередаче больше требуемого. Следовательно, приведенное сопротивление, не учитывающее потери тепла на откосах, не может использоваться при проектировании. Сопротивления Я2 и Я3 меньше условного соответственно для стены 1-го типа в 2.2 и 2.7 раза, а для стены 2-го типа - в 1.7 и 2.1 раза. Кроме того, несмотря на значительную разницу в условных сопротивлениях^, К2 и Я3 отличаются для стен 1-го и 2-го типов незначительно (до 10%).По сравнению с требуемым сопротивлением теплопередаче эти сопротивления меньше в 1.3 - 1.7 раза. Сопротивления Я2 и Я3 наиболее полно учитывают потери тепла через конструкцию стены вне заполнения оконных проемов, поэтому их и следует использовать при проектировании стены.
Показателем, учитывающим суммарные потери тепла через стену с окнами, служит фактическое сопротивление. Интересно, что для стен с повышенным сопротивлением теплопередаче фактическое сопротивление уменьшилось по сравнению с услов-
ным в 3.3 - 4.2 раза, в то время как для стены 3-го типа - только в 1.7 раза. При этом фактическое сопротивление стены 3-го типа было меньше по сравнению со стеной 1-го типав 1.7 раза (условные сопротивления отличаются в 4.27 раза).
На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы. Определение общего сопротивления теплопередаче стен с повышенным сопротивлением при наличии теплопроводных включений и оконных проемов приближенными методами приводит к недопустимым погрешностям. Приведенное сопротивление таких огражденийследует определять на основании расчета пространственного температурного поля, с учетом потерь тепла через откосы окон, примыкающие перегородки и перекрытия. Нормировать следует фактическое сопротивление теплопередаче стены с окнами, так как именно это сопротивление дает возможность судить о суммарных потерях тепла через ограждение.
Литература
1. СНиП 23-02-2003. Тепловая защита зданий. М., Госстрой России,2003.
2. Патаикар С. Численные методы решения задач теплообменаи динамики жидкости. М.,Энергоатомиздат, 1984.
3. Туснин А.Р., Туснина В.М. Теплотехнический расчет на ЭВМ ограждающих конструкций // Материалы международной 51-ой научно-технической конференции профессоров, преподавателей, научных работников, аспирантов и студентов БГПА. Минск, 1995.
4. Расчет и проектирование ограждающих конструкций зданий/ НИИстроит. физики. М., Стройиздат, 1990.
The literature
1. BNR 23-02-2003. Thermal protection of buildings.Moscow: State Committee for Construction of Russia, 2003.
2. Patankar S. Numerical methods for solving heat transfer problems and fluid dynamics. Moscow: Energoatomizdat, 1984.
3. Tusnin AR, Tusnina VM Thermal computer calculation walling Proceedings of the 51st international scientific conference of professors, teachers, researchers, graduate students and BSPA. Minsk, 1995.
4. Calculation and design of enclosing structures of buildings / Research constructs. physics. MM: Stroyizdat, 1990.
Ключевыеслова: теплопроводность, температурноеполе, сопротивлениетеплопередаче, теплопотери.
Key words: thermal conductivity, temperature field, thermal resistance, heat loss.
E-mailaemopoe:valmalaz @ mail.ru
Рецензент: А.В.Мельник кандидат технических наук, и.о.генерального директора ФГУП
«ЦНИИПроектлегконструкций»
