CC BY
57
ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ И ЛОГИСТИКА В СТРОИТЕЛЬСТВЕ
УДК 691 + 536.2
А.М. Белостоцкий, С.В. Щербина
ФГБОУ ВПО «МГСУ»
СРАВНИТЕЛЬНЫЕ РАСЧЕТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ СУЩЕСТВУЮЩИХ И ВНОВЬ
РАЗРАБОТАННЫХ МАТЕРИАЛОВ И КОНСТРУКЦИЙ НА ОСНОВЕ КОНЕЧНОЭЛЕМЕНТНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ТРЕХМЕРНЫХ ЗАДАЧ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ
Выполнен сравнительный анализ энергоэффективности существующей и вновь разработанной ограждающей конструкции. В качестве параметра энергоэффективности принимаются плотности и интегралы плотности (по характерным линиям) теплового потока, в качестве инструмента расчетных исследований — ко-нечноэлементное моделирование стационарных задач теплопроводности по верифицированному программному комплексу ANSYS.
Ключевые слова: энергоэффективность, ограждающие конструкции, теплопроводность, конечноэлементное (КЭ) моделирование.
Проблема энергоэффективности стала одной из самых актуальных при строительстве новых и реконструкции старых зданий [1, 2].
В качестве представительной конструкции с существующей системой теплоизоляции принята конструкция стены дошкольного обpaзовательного учреждения, расположенного по адресу: Москва, Рязанский пр-т, влад. 43.
Существующая наружная ограждающая стена (рис. 1) представляет собой конструкцию, состоящую из элементов (снаружи вовнутрь): блоки из ячеистого бетона толщиной 500 мм; раствор цементно-песчаный толщиной 10 мм; кирпич керамический толщиной 120 мм; штукатурка цементно-песчаная толщиной 30 мм. Вновь разработанная наружная ограждающая стена (рис. 2): пенокерамобетонные блоки с пирофосфатом натрия: длина — 60 см, высота — 40 см, ширина в 2 вариантах — 12 или 24 см; штукатурка цементно-песчаная толщиной 30 мм.
Теплофизические свойства материалов [3, 4], используемые при моделировании, приведены в табл. 1.
Задача для зоны стены, удаленной от проемов, перекрытий и углов, решалась в квазидвумерной (по сути — в одномерной) стационарной КЭ-постановке [5, 6] (рис. 3, 4) по универсальному верифицированному [7] программному комплексу ANSYS. Использовались плоские четырехугольные квадратичные конечные элементы PLANE77 [8, 9].
Табл. 1. Теплофизические свойства материалов
Элементы конструкции стены
Конструкция Бетонные блоки Раствор Штукатурка Кирпич
Теплопроводность,Вт/м°С 0,104 0,17 0,9 0,72
Существующие конструкции
Вновь разработанные конструкции
Рис. 1. Фрагмент стены с размерами и граничными условиями
Рис. 2. Фрагмент стены с размерами и граничными условиями
Рис. 3. КЭ сетка с различными материалами (бирюзовый — бетон, фиолетовый — раствор цементно-песчаный, красный — кирпич, синий — штукатурка)
Рис. 4. КЭ сетка с различными материалами (бирюзовый — пенокерамобе-тонный блок, фиолетовый — штукатурка)
Рис. 5. Поле температур
1ЕР1ФЛЛПГ4М lot
Рис. 6. Поле температур
Граничные условия выбирались согласно [10] в виде конвективного теплообмена: на внутренней поверхности стены с коэффициентом теплоотдачи аех = 8,7Вт/(м2 -°С); на внешней поверхности стены аех( = 23Вт/(м2 -0С) и температурой окружающей среды самой холодной пятидневки района г. Москвы ^ =-28 °С. Внутри температура принималась равной = 20 °С. Результаты приведены на рис. 5, 6 и табл. 2.
Табл. 2. Сравнение температур и плотности теплового потока существующих и вновь разработанных материалов
Материалы Минимальная температура, °С Максимальная температура, °С Плотность теплового потока, Вт/м2 Расхождение, %
Существующие -27,609 18,967 8,990 100
Вновь разработанные -27,650 19,074 8,052 89,57
Рассмотрена трехмерная задача для типового углового помещения-этажа без оконных и балконных проемов (рис. 7). С учетом симметрии задача сводится к 1/16 своей части. Использовались объемные 20-узловые КЭ SOLID90 из библиотеки ANSYS [8, 9].
им
Г7/ 51 л л О з в
Рис. 7. Геометрическая 3D-модель углового помещения с размерами, мм, и 4 плоскостями симметрии (включая диагональную)
Задача решалась в стационарной постановке с граничными условиями, описанными в двумерной постановке (рис. 8, 9). Полученные поля температур и тепловых потоков приведены на рис. 10—15 и табл. 3.
Существующие конструкции
Вновь разработанные конструкции
Рис. 8. КЭ сетка с различными материалами (бирюзовый — бетон, фиолетовый — раствор цементно-песчаный, красный — кирпич, синий — штукатурка)
Рис. 9. КЭ сетка с различными материалами (бирюзовый — бетон, фиолетовый — раствор цементно-песчаный, красный — кирпич, синий — штукатурка)
Рис. 10. Поле температур. Вид со стороны ортогональной плоскости симметрии
Рис. 11. Поле температур. Вид со стороны ортогональной плоскости симметрии
Рис. 12. Поле теплового потока. Вид со стороны ортогональной плоскости симметрии
Рис. 13. Поле теплового потока. Вид со стороны ортогональной плоскости симметрии
МГСУ-
3/2013
Окончание табл.
Существующие конструкции
Вновь разработанные конструкции
Рис. 14. Поле теплового потока. Вид со стороны диагональной плоскости симметрии
Рис. 15. Поле теплового потока. Вид со стороны диагональной плоскости симметрии
Табл. 3. Сравнение температур и интеграла плотности теплового потока существующих и вновь разработанных материалов
Материалы Интеграл плотности теплового потока АВ, Вт/м2 Расхождение, % Интеграл плотности теплового потока ВС, Вт/м2 Расхождение, %
Существующие 23,024 100 26,509 100
Вновь разработанные 21,265 92,36 26,126 98,55
Выводы. 1. Построены и верифицированы двумерная КЭ-модель стены и трехмерная КЭ-модель углового помещения-этажа с учетом существующих и вновь разработанных материалов/конструкций для решения стационарной задачи теплопроводности.
2. На двумерной модели стены получено, что значение плотности теплового потока через вновь разработанную конструкцию снизилось на 10,5 % по сравнению с существующей.
3. Для вновь разработанных конструкций/материалов в трехмерной задаче характер графиков остался прежним, но добавились характерные «всплески» в местах швов раствора (рис. 16, 17).
4. Для сравнения показателей энергоэффективности существующих и вновь разработанных конструкций/материалов плотности теплового потока были проинтегрированы по характерным линиям на наружной поверхности. Установлено увеличение указанного интегрального показателя энергоэффективности для предложенных конструкций/материалов на 7,7 % по горизонтальной (АВ) и на 1,5 % по вертикальной оси.
Рис. 16. График изменения плотности теплового потока, Вт/м2, по AB
1
»
/1J
Vtvt t
L
l-fi
- ~ Существующие материалы
Вновь разработанные материалы
-0,1 0,1 0,3 0,S 0,7 0,9 1,1 1,3 1,S
L, м
Рис. 17. График изменения плотности теплового потока, Вт/м2, по BC
Замечания. Исследования проводились в рамках государственного контракта № 16.552.11.7025 по теме «Проведение центром коллективного пользования научным оборудованием «ГР ЦКП МГСУ» поисковых научно-исследовательских работ в области энергосбережения и энергоэффективности зданий и сооружений»
Библиографический список
1. Дмитриев А.Н. Энергосберегающие ограждающие конструкции гражданских зданий с эффективными утеплителями : дисс. ... д-ра техн. наук. М., 1999.
2. Хуторной А.Н. Теплофизическое обоснование новых неоднородных наружных стен зданий и прогнозирование их теплозащитных свойств : автореф. дисс. ... д-ра техн. наук. Тюмень, 2009.
3. Кауфман Б.Н. Теплопроводность строительных материалов. М. : Из-во литературы по строительству и архитектуре, 1955. 159 с.
4. Лыков А.В. Теория теплопроводности. М. : Высш. шк., 1967. 599 с.
5. Румянцев А.В. Метод конечных элементов в задачах теплопроводности. 3-е изд., перераб. Калининград, 2010. 95 с.
6. Зенкевич О., Чанг И. Метод конечных элементов в теории сооружений и в механике сплошных сред. М. : Недра, 1974.
7. Верификационный отчет по программному комплексу ANSYS Mechanical / А.М. Белостоцкий, С.И. Дубинский, А.А. Аул, А.И. Нагибович, И.Н. Афанасьева, О.А. Козырев, А.С. Павлов. 4 т. М. : ЗАО НИЦ СтаДиО, НОЦ КМ МГСУ, 2009.
8. Structural Analysis Guide, Documentation for ANSYS, Release 12.1. 2010.
9. Thermal Analysis Guide, Documentation for ANSYS, Release 12.1. 2010.
10. СНиП 23-02—2003. Тепловая защита зданий.
Поступила в редакцию в феврале 2013 г.
Об авторах: Белостоцкий Александр Михайлович — доктор технических наук, профессор кафедры информатики и прикладной математики, директор научно-образовательного центра компьютерного моделирования, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, [email protected];
Щербина Сергей Викторович — инженер научно-образовательного центра компьютерного моделирования, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, [email protected].
Для цитирования: Белостоцкий А.М., Щербина С.В. Сравнительные расчетные исследования энергоэффективности существующих и вновь разработанных материалов и конструкций на основе конечноэлементного моделирования двумерного и трехмерных задач теплопроводности // Вестник МГСУ. 2013. № 3. С. 212—219.
A.M. Belostotskiy, S.V. Shcherbina
COMPARATIVE STUDY OF THE ENERGY EFFICIENCY OF AVAILABLE AND NEWLY DEVELOPED MATERIALS AND STRUCTURES BASED ON THE FINITE-ELEMENT
RESOLUTION OF 2D AND 3D PROBLEMS OF HEAT CONDUCTIVITY
The authors performed a comparative analysis of the energy efficiency of existing and newly developed enclosure structures of buildings. Density and heat transfer rate integrals alongside certain lines are selected as energy efficiency parameters. Finite element modeling verified by ANSYS Mechanical code is chosen as the research tool.
Quasi-two-dimensional and three-dimensional options of the problem were resolved by the authors. The three-dimensional problem was resolved for a typical corner room free from embrasures.
The key findings of the study are as follows:
1. The two-dimensional finite element model of the wall and the three-dimensional finite element model of the corner room are produced and verified. Existing and newly developed materials and wall designs are taken into consideration in respect of the stationary heat transfer problem.
2. 10.5 % reduction of the heat transfer rate was identified using the two-dimensional model, if the hat is transferred through the wall having a new design.
3. The pattern of heat transfer rates is preserved in respect of the three-dimensional problem of new wall designs and materials; however, particular "spikes" appear in the joints.
4. A rise in the overall energy efficiency of newly developed materials and wall designs is discovered in respect of the three-dimensional problem (7.7 % along the horizontal axis and 1.5 % along the vertical axis).
Key words: energy efficiency, enclosure structures, heat conductivity, finite element (FE) modeling.
References
1. Dmitriev A.N. Energosberegayushchie ograzhdayushchie konstruktsii grazhdanskikh zdaniy s effektivnymi uteplitelyami [Energy Saving Enclosure Structures of Civil Buildings Having Efficient Heat Insulation]. Moscow, 1999.
2. Khutornoy A.N. Teplofizicheskoe obosnovanie novykh neodnorodnykh naruzhnykh sten zdaniy i prognozirovanie ikh teplozashchitnykh svoystv [Thermalphysic Feasibility Study of New Heterogeneous External Walls of Buildings and Projection of Their Heat-shielding Properties]. Tumen, 2009.
3. Kaufman B.N. Teploprovodnost' stroitel'nykh materialov [Heat Conductivity of Construction Materials]. Moscow, Iz-vo litera-tury po stroitel'stvu i arkhitekture publ., 1955, 159 p.
4. Lykov A.V. Teoriya teploprovodnosti [Theory of Heat Conductivity]. Moscow, Vyssh. shk. publ., 1967, 599 p.
5. Rumyantsev A.V. Metod konechnykh elementov v zadachakh teploprovodnosti [Method of Finite Elements Applicable to Problems of Heat Conductivity]. Kaliningrad, 2010, 95 p.
6. Zenkevich O., Chang I. Metod konechnykh elementov v teorii sooruzheniy i v mekhan-ike sploshnykh sred [Method of Finite Elements in Theory of Structures and Mechanics of Continuous Media]. Moscow, Nedra Publ., 1974.
7. Belostotskiy A.M., Dubinskiy S.I., Aul A.A., Nagibovich A.I., Afanas'eva I.N., Kozyrev O.A., Pavlov A.S. Verifikatsionnyy otchet po programmnomu kompleksu ANSYS Mechanical [Verification Report on ANSYS Mechanical Software]. Moscow, MGSU Publ., 2009, 4 vol.
8. Structural Analysis Guide, Documentation for ANSYS, Release 12.1, 2010.
9. Thermal Analysis Guide, Documentation for ANSYS, Release 12.1, 2010.
10. SNiP 23-02—2003. Teplovaya zashchita zdaniy [Construction Norms and Rules 2302—2003. Thermal Protection of Buildings].
About the authors: Belostotskiy Aleksandr Mikhaylovich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavs-koe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; [email protected];
Shcherbina Sergey Viktorovich — engineer, Research and Training Centre for Computer Simulation, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaro-slavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; [email protected].
For citation: Belostotskiy A.M., Shcherbina S.V. Sravnitel'nye raschetnye issledovaniya energoeffektivnosti sushchestvuyushchikh i vnov' razrabotannykh materialov i konstruktsiy na osnove konechnoelementnogo modelirovaniya dvumernogo i trekhmernykh zadach teploprovodnosti [Comparative Study of the Energy Efficiency of Available and Newly Developed Materials and Structures Based on the Finite-Element Resolution of 2D and 3D Problems of Heat Conductivity]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 3, pp. 212—219.
