CC BY
52
ТЕПЛОЗАЩИТНЫЕ СВОЙСТВА ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ НАЛИЧИИ СТОКОВ ИЛИ источников ТЕПЛОТЫ И ФИЛЬТРАЦИИ ВОЗДУХА
HEAT-REFLECTING PROPERTIES OF BUILDING ENVELOPE GRANTING HEAT SINKS OR HEAT SOURCES AND AIR
LEAKAGE
P.A. Садыков, Д.В. Крайнев, Р.В. Иванова R. Sadykov, D. Krajnov, R. Ivanova
Казанский ГАСУ
Избыточное влагосодержание материалов конструкций рассмотрено как дополнительный сток теплоты. Рассчитываются поля температур, тепловые потоки и сопротивление теплопередаче оболочки зданий.
Over moisture content of constructions materials is considered as additional heat sink. Temperature fields, heat flows and heat-transfer resistance of the building envelope are calculated.
Введение. Повышение требований к тепловой защите ограждающих конструкций (ОК) зданий и сооружений привело к использованию в строительной практике эффективных теплоизоляционных материалов и многослойных систем. Большинство теплоизоляционных материалов являются пористыми, что определяет их эксплуатационные свойства.
Пористые материалы подвержены повышенному воздействию процессов фильтрации воздуха, паропроницаемости, а при определенных конструктивных особенностях - влагонакоплению в толще материала.
С помощью известных методов и способов [2, 5, 15] возможно снизить до минимума негативное влияние того или иного процесса. Но как показывает практика, в виду ряда причин: как конструктивных, так и монтажных, исключить воздействие возду-хопроницания, конденсации и влагонакопления не всегда оказывается возможным. Все эти процессы ведут к снижению теплозащитных свойств ОК и, как итог, повышенным теплопотерям здания.
Кроме того, современные нормативные документы в области строительной теплофизики [12-13] устанавливают требования к отдельным показателям ОК, в частности, сопротивлениям теплопередаче, воздухопроницаемости, паропроницаемости, которые не рассматриваются во взаимосвязанном переносе. Раздел «Защита от переувлажнения ограждающих конструкций» в [12] рассматривает только паропроницае-мость материалов, не учитывая всю сложность сорбционного (сверхсорбционного) и десорбционного процессов.
Методы расчета температурных полей при учете поперечной и продольной фильтрации [4, 14] хорошо известны, но недостаточно исследованы.
7/)п11 ВЕСТНИК _1/2011_мгсу
В статье рассматривается подход к решению задачи при наличии увлажнения для определения теплозащитных свойств ОК с учетом фильтрации воздуха.
Моделирование процесса теилоиереноса при наличии влагосодержания и фильтрации воздуха в ОК. При проектировании теплозащиты ОК используют расчетные показатели строительных материалов и конструкций, в частности, коэффициент теплопроводности (X). Данный коэффициент принимается для условий эксплуатации А или Б. При этом Х=сош1 по всей толщине стенки, и он дается для условий эксплуатации А при сорбционной влажности материала, соответствующей относительной влажности воздуха ф=80 %, а для условий эксплуатации Б - ф=97 % [13].
В настоящее время предлагаются различные методы определения влажности ОК: приближенный метод расчета увлажнения ограждений парообразной и жидкой влагой [16], многофакторный метод расчета и усовершенствованный метод последовательного увлажнения [8], метод инженерного расчета влажностного состояния ОК [3] и др. [1, 6, 15].
Анализ результатов расчетов данных работ показал, что влажностный режим различных конструкций может находиться на грани между удовлетворительным и неудовлетворительным. А при определенных условиях эксплуатации может наблюдаться систематическое накопление влаги в ограждении, которое приводит к увеличению X сверх расчетной. Неравномерное распределение влагосодержания по толщине стенки (слоя) приводит к значительному усложнению решения поставленной задачи.
Любое увеличение коэффициента теплопроводности влечет за собой снижение теплозащитных качеств ОК, поэтому для решения задач проектирования и строительства зданий с эффективным энергопотреблением необходимо использовать методы расчета, учитывающие процессы, происходящие в ОК во время эксплуатации и дающие результаты приближенные к реальным. В статье предлагается учитывать увеличение X при увлажнении материалов ОК как дополнительную потерю теплоты, которую можно рассмотреть как внутренний отрицательный источник теплоты (ИТ) равномерно или неравномерно распределенный по толщине. В свою очередь, этот процесс может быть осложнен наличием инфильтрации или эксфильтрации воздуха.
В этом случае при основных общепринятых допущениях [1, 6, 14] дифференциальное уравнение стационарного одномерного теплопереноса с постоянными теплофи-зическими характеристиками можно записать через критерии подобия в виде [7, 9-11]:
^±Ре^±Ра = 0, (1)
СЯ СЯ
где: © =-е-— безразмерная температура, ©е[0;1]; 1в, ^ - температура соответст-
С _ К
_ Я
венно внутреннего и наружного воздуха; Я =--безразмерное сопротивление теплого
передаче, Я е [0;1]; Я0 - сопротивление теплопередаче ОК; Ре = срОЯ0 - число Пекле,
характеризует соотношение конвективного и молекулярного переносов теплоты (массы) в потоке; ср - удельная теплоемкость воздуха; О - плотность фильтрационного
Цу82
потока воздуха; Ра = —-у - число Померанцева, характеризует отношение мощности ИТ в единице объема к количеству теплоты, переносимому в этом объеме через
единицу поверхности с характерным размером 5; qv - внутренний объемный ИТ; 5 -толщина стенки.
Начало координат совпадает с внутренней поверхностью.
Знаки у второго слагаемого означают: «-» - инфильтрация, «+» - эксфильтрация. Знаки у третьего слагаемого: «+» - положительный источник теплоты, «-» - отрицательный источник теплоты.
Первоначально рассмотрим упрощенное уравнение (1) при отсутствии фильтрации воздуха (Ре=0) с граничными условиями первого рода:
- ,
В этом случае его решение запишется в виде:
t -1
© = -
t. -1
&\яя = ^ • :я в виде
(1 )(1*ТЯ ]
(3)
В табл.1. представлены значения относительной температуры Я|, подсчитанные по уравнению (3) для -6<Ро<6.
Таблица 1. Значения относительной температуры Я |.
подсчитанные по урав-
Po\ 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
6 1 1,17 1,28 1,33 1,32 1,25 1,12 0,93 0,68 0,37 0
4 1 1,08 1,12 1,12 1,08 1 0,88 0,72 0,52 0,28 0
3 1 1,035 1,04 1,015 0,96 0,875 0,76 0,615 0,44 0,235 0
2 1 0,99 0,96 0,91 0,84 0,75 0,64 0,51 0,36 0,19 0
1 1 0,945 0,88 0,805 0,72 0,625 0,52 0,405 0,28 0,145 0
0 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0
-1 1 0,855 0,72 0,595 0,48 0,375 0,28 0,195 0,12 0,055 0
-2 1 0,81 0,64 0,49 0,36 0,25 0,16 0,09 0,04 0,01 0
-3 1 0,765 0,56 0,385 0,24 0,125 0,04 -0,015 -0,04 -0,035 0
-4 1 0,72 0,48 0,28 0,12 0 -0,08 -0,12 -0,12 -0,08 0
-6 1 0,63 0,32 0,07 -0,12 -0,25 -0,32 -0,33 -0,28 -0,17 0
На рис.1 представлены графические зависимости ©^Я j при разных числах Ро.
Из табл.1 и рис.1 видно, что в зависимости от числа Ро температура стенки может быть заметно больше максимальной температуры поверхности стенки при Ро>3 (появляется максимум функции ©(Яи меньше минимальной температуры поверхности
при Ро<-3 (появляется минимум функции я| ). И чем меньше критерий Ро, тем большая область стенки будет охвачена пониженными температурами. При этом, ми-
7/2011 ВЕСТНИК
__мгсу
нимум при Ро<-2 будет смещаться от наружной поверхности к середине ОК (зимний период года). В летний период года, когда происходит просушка ОК, может наблюдаться обратная картина при Ро>2.
Рис. 1. Изменение безразмерной температуры по толщине стеки при -6<Ро<6. При Ро>0 «+» ИТ, при Ро<0 «-» ИТ, Ро=0 стационарная теплопроводность без ИТ
При значениях Ро=0 имеем линейный закон изменения 1(Я):
Я
* = К "('. ". (4)
Я0
С &
Плотность теплового потока находится из уравнения д =--=, откуда следует
СЯ
(* - О I
д = 6 н) +-Я0 - 1Я. (5)
Я0 2 ^
Плотность теплового потока, входящего через внутреннюю термическую границу (с учетом сопротивления тепловосприятию Кв), определим, подставив в уравнение (5) Я=0. Получим:
да = ^^+^ (6)
Я 2
Плотность теплового потока, выходящего через наружную термическую границу, получим при
С. - к) I
•— Я0.
Я 2 10
(7)
Разность (Явх-Чвых) Даст плотность теплового потока, необходимого на нагревание и испарение влаги, содержащейся в ОК:
д« - дтх = 1Я0. (8)
При наличии фильтрации воздуха в ОК аналитическое решение уравнения (1) запишется в виде:
е^ [1+Ра )_Ра. (1 ).
(9)
е-ре-1 ^ Ре) Ре В этом случае безразмерная температура зависит от независимой переменной Я и двух параметров переноса: Ре и Ро. График ©(Я) при различных значениях Ре и Ро представлены на рис. 2.
а. 1 - инфильтрация (-3<Ре<0,01; Ро=0); 2 - инфильтрация (-3<Ре<0,01) и источник теплоты (Ро=3); 3 - инфильтрация (-3<Ре<0,01) и сток теплоты (Ро= -3)
б. 1 - эксфильтрация (0,01<Ре<3; Ро=0); 2 - эксфильтрация (0,01<Ре<3) и источник теплоты (Ро=3); 3 - эксфильтрация (0,01<Ре<3) и сток теплоты (Ро= -3)
Рис. 2. Изменение безразмерной температуры по толщине стенки при различных
физических процессах в ОК
7/2011 ВЕСТНИК _7/2011_мгсу
Из рис. 2 видно, что при определенном сочетании двух противоположных процессов (с точки зрения переноса теплоты): инфильтрация и источник теплоты или экс-фильтрация и сток теплоты, они могут уравнивать друг друга. Тогда © изменяется по линейному закону. Это можно заметить при Ре=-3 и Ро=3 (рис. 2а), а также при Ре=3 и Ро=-3 (рис. 26). Т.е. такая ситуация наблюдается в тех случаях, когда критерии Ро и Ре равны по модулю и противоположны по знаку (Ро = - Ре ). Тогда решение (9) принимает вид (4).
Литература
1. Богословский В.Н. Строительная теплофизика (теплофизические основы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха). - 3-е изд. - С-Пб.: Издательство «АВОК Северо-Запад», 2006. - 400 е., ил.
2. Ватин Н.И., Глумов A.B., Горшков A.C. Влияние физико-технических и геометрических характеристик штукатурных покрытий на влажностный режим штукатурных стен из газобетонных блоков // Инженерно-строительный журнал. 2011. №1(19). - с. 28-33.
3. Гагарин В.Г., Козлов В.В. Метод инженерного расчета влажностного состояния ограждающих конструкций, учитывающий перенос парообразной и жидкой влаги // Сб. докладов Материалы Международной научно-технической конференции «Теоретические основы теплогазо-снабжения и вентиляции». - М.: МГСУ, 2005. - с. 49-53.
4. Гагарин В.Г., Козлов В.В., Мехнецов И.А. Продольная фильтрация воздуха в современных ограждающих конструкциях // ABOK. 2005. №8. - с. 60-69.
5. Езерский В.А., Кузнецова Н.В. Обеспечение парозащиты наружных стен цехов с солевой производственной средой // Промышленное и гражданское строительство. 2005. №12. - с. 25-27.
6. Ильинский В. М. Строительная теплофизика (ограждающие конструкции и микроклимат зданий): Уч. пособие для инж.-строит. вузов. - М.: Высш. школа, 1974. - 320 е., ил.
7. Крайнов Д.В., Садыков P.A. Расчет термического сопротивления ограждающих конструкций с интегральным учетом их воздухопроницаемости и источников теплоты. // Сборник «Материалы X международного симпозиума «Энергоресурсоэффективность и энергосбережение». - Казань, 2009. - с. 187-195.
8. Руководство по расчету влажностного режима ограждающих конструкций зданий / НИИСФ. - М.: Стройиздат, 1984. - 168 с.
9. Садыков P.A. Процессы переноса при кратковременном контакте фаз. - Казань: Изд-во КГЭУ, 2004. - 176 с.
10. Садыков P.A. Расчет теплотехнических характеристик ограждающих конструкций с учетом термодиффузии и фильтрации влаги // Сб. докладов Материалы Международной научно-технической конференции «Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции». - М.: МГСУ, 2005. - с. 53-57.
11. Садыков P.A., Крайнов Д.В., Иванова Р.В. Процессы переноса в ограждающих конструкциях с учетом воздухопроницания и стоков теплоты. // Сб. докладов Третьей Международной научно-технической конференции «Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции». - Москва: МГСУ, 2009. - с. 90-92.
12. СНиП 23-02-2003. Тепловая защита зданий. Госстрой России - М: ЦИТП Госстроя России. 2003.
13. СП 23-101-2004. Проектирование тепловой защиты зданий. Госстрой России - М: ЦИТП Госстроя России. 2004.
14. Ушков Ф.В. Теплопередача ограждающих конструкций при фильтрации воздуха. М.: Стройиздат, 1969. - 144 е., ил.
15. Фокин К.Ф. Строительная теплотехника ограждающих частей зданий: Изд. 4-е, переработ. и доп. - М.: Стройиздат, 1973. - 287 с.
16. Франчук А.У. Приближенный метод расчета увлажнения ограждений парообразной влагой // Сб.статей «Исследования по строительной теплофизике» под ред. Васильева Б.Ф. 1959. - с. 89-103.
References
1. Bogoslovskij V. N. Building thermal physics (thermophysical basics heating, ventilation and air conditioning). - S-Pb.: AVOK Severo-Zapad, 2006. - 400 p., pic.
2. Vatin N.I., Glumov A.V., Gorshkov A.S. Physicotechnical and geometrical adjectives of the stucco coatings influence on moisture conditions the stucco walls of the gas-concrete blocks // Construction-engineering magazine. 2011. №1(19). - p. 28-33.
3. Gagarin V. G., Kozlov V. V. Method of engineering evaluation moisture condition of the building envelopes heedful of transfer vaporous and liquid moisture // The collection of reports «Materials of the International scientific and technical conference «Theoretical bases of heat and gas supply and ventilation». -M.: MGSU, 2005. - p. 49-53.
4. Gagarin V. G., Kozlov V. V., Mehnecov I. A. Dilatational air leakage in the modern building envelopes // AVOK. 2005. № 8. - p. 60-69.
5. Ezerskij V.A., Kuznecova N.V. Securing vapor protect the external walls of the units with salt industrial environment // Industrial and civil engineering. 2005. №12. - p.25-27.
6. Il'inskij V. M. Building thermal physics (building envelopes and indoor climate of the buildings). -M.: Vyssh. shkola, 1974. - 320 p., pic.
7. Krajnov D.V., Sadykov R.A. Calculation of thermal resistant of building envelope with the integration account of their air permeability and heat sources // The collection of works of X International symposium «Effectiveness of the power resources and power savings». - Kazan, 2009. - p.187-195.
8. Manual of the building envelopes moisture condition calculation / NIISF. M., Strojizdat, 1984. - 168
p.
9. Sadykov R.A. Transfer processes by short-term phases contact. - Kazan. KSEU. 2004. - 176 p.
10. Sadykov R.A. Calculation of thermo-technical characteristics of building envelope taking into account thermo diffusion and moisture filtration // The collection of reports «Materials of the International scientific and technical conference «Theoretical bases of heat and gas supply and ventilation». - M.: MGSU, 2005. - p. 53-57.
11. Sadykov R.A., Krajnov D.V., Ivanova R.V. Transfer process in building envelope taking into account air permeability and heat sink // The collection of reports of 3rd International scientific and technical conference «Theoretical bases of heat and gas supply and ventilation». - M.: MGSU, 2009. - p. 90-92.
12. SNiP 23-02-2003. Thermal performance of the buildings. M., CITP Gosstroj of Russia, 2003.
13. SP 23-101-2004. Designing of thermal performance of the buildings. M., CITP Gosstroj of Russia,
2004.
14. Ushkov F. V. Heat transmission of the building envelopes with air leakage. M.: Strojizdat, 1969. -144 p., pic.
15. Fokin K. F. Building heat engineering of the building envelopes. M., Strojizdat, 1973. - 287 p.
16. Franchuk A.U. The approximate method of calculation of enclosure wetting a vaporous moisture // The collection of reports «Research of building heat engineering» under the editorship of Vasil'ev B.F. 1959. p. 89-103.
Ключевые слова: влагосодержание, теплопроводность, ограждающая конструкция, сток теплоты, температурное поле, тепловой поток, термическое сопротивление.
Key words: moisture content, thermal conductivity, building envelope, heat sink, temperature field, heat flow, heat-transfer resistance.
e-mail: sadykov_r_a@mail.ru, dimaself@mail.ru, sadykov r a@mail.ru
