CC BY
26Тестирование метода расчета температурно-влажностного режима ограждающих конструкций на результатах натурных измерений параметров микроклимата помещений
К.т.н., доцент С.В. Корниенко*,
ФГБОУ ВПО Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет
Ключевые слова: температурно-влажностный режим ограждающих конструкций; параметры микроклимата помещений; компьютерная программа
Проблема снижения энергозатрат и повышения энергоэффективности зданий тесно связана с необходимостью исследования процессов тепломассообмена, прогноза температурно-влажностного режима ограждающих конструкций и повышения надежности теплотехнических расчетов. Большой вклад в решение этой проблемы внесли В.Н. Богословский [1], А.В. Лыков [2],
A.У. Франчук [3], С.В. Александровский [4], К.Ф. Фокин [5], В.М. Ильинский [6], В.И. Лукьянов [7],
B.Г. Гагарин [8], А.И. Ананьев [9], А.Г. Перехоженцев [10], О. Кришер [11]. Следует также отметить работы [12-16].
Автором разработан метод расчета температурно-влажностного режима в трехмерных областях ограждающих конструкций зданий [17-21] 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 [1] с применением шкалы абсолютного потенциала влажности, разработанной автором. Использование шкалы абсолютного потенциала влажности [17, 20] позволяет существенно упростить модель тепловлагопереноса. Разработанная физико-математическая модель реализована в компьютерной программе [19], 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.
В данной статье приведены результаты натурных измерений параметров микроклимата помещений, которые использованы для тестирования (верификации) метода расчета температурно-влажностного режима ограждающих конструкций [17-21].
Объектом натурного обследования является 3-комнатная квартира, расположенная на 4-м этаже 5-этажного жилого дома в г. Волжском Волгоградской области. Площадь жилых помещений принята по проекту: 1 - 9,2 м2; 2 - 15,6 м2; 3 - 13,4 м2. Конструктивная система здания объемно-блочная, с применением объемных блоков типа «колпак». Стены объемных блоков выполнены из тяжелого бетона плотностью 1800 кг/м3 толщиной 70 мм с навесными панелями наружных стен из керамзитобетона плотностью 900 кг/м3 толщиной 210 мм, с эффективным утеплителем и наружной облицовкой из металлосайдинга. Заполнение проемов наружных стен выполнено оконными блоками из однокамерных стеклопакетов в ПВХ профилях. Система отопления централизованная однотрубная, с нижней разводкой подающей и обратной магистралей. В качестве отопительных приборов использованы чугунные радиаторы типа МС-140х108 с ручным регулированием расхода теплоносителя. Система вентиляции приточно-вытяжная канальная, с естественным регулируемым притоком воздуха через вентиляционные клапаны в наружных стенах и удалением воздуха через вытяжные каналы. Проектные параметры систем отопления и вентиляции обеспечивают выполнение санитарно-эпидемиологических требований согласно СП 54.13330.2011 (п. 9) в указанной квартире.
Натурные измерения параметров микроклимата жилых помещений проведены в холодный период года с 10.12.2011 по 17.12.2011 в дневное время суток при пасмурной погоде. Продолжительность натурного обследования соответствует требованию ГОСТ 26254-84 по тепловой инерции наружных стен здания. Параметры наружного климата приняты усредненными за время измерений по данным ближайшей метеостанции:
• температура воздуха - минус 4,7°С;
• относительная влажность воздуха - 96 %;
• скорость ветра - 4 м/с;
• облачность - 9 баллов.
Натурные измерения параметров микроклимата помещений выполнены методом неразрушающего контроля с применением современных цифровых измерительных приборов. Температура и относительная влажность воздуха измерены цифровым термогигрометром «Testo 610» с погрешностью: по температуре ±0,5 °С, по относительной влажности ±2,5 %. Температура внутренней поверхности ограждающих конструкций и отопительных приборов измерена цифровым поверхностным термометром «Testo 905-T2» с погрешностью ±1,0 °С. Для измерения скорости движения воздуха использован цифровой термоанемометр «Testo 405» с погрешностью ±(0,1 м/с + 5 % от измеренного значения). Влагосодержание внутреннего поверхностного слоя наружных стен измерено диэлькометрическим методом по ГОСТ 21718-84 электронным измерителем влажности «Влагомер МГ 4Б» с погрешностью ±0,8 % (в диапазоне 1...10 %). Все измерения выполнены при закрытых окнах и вентиляционных клапанах наружных стен приборами, прошедшими регистрацию и имеющими сертификат.
Измерения температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха выполнены в центре жилых помещений, на высоте 1,1.1,5 м от пола. Результирующая температура определена по температуре воздуха в помещении и радиационной температуре согласно ГОСТ 30494-96. Площадь внутренней поверхности ограждающих конструкций и отопительных приборов определена по проекту. Температура поверхностей измерялась в соответствии со схемой, представленной на рис. 1:
• на внутренней поверхности наружной стены - в центре участков, образованных линиями, продолжающими грани откосов светопроема (точки 1-8), и в зоне сопряжений наружной стены с внутренними стенами (точки 9-14);
• в центре остекления (точка 15);
• в центре отопительного прибора (точка 16);
• в центре внутренних стен и перегородок (точки 17-19);
• в центре пола (точка 20) и потолка (точка 21).
Влагосодержание внутреннего поверхностного слоя наружной стены измерялось в соответствии со схемой рис. 1 в точках 1-8.
Рисунок 1. Схема замеров температуры и влагосодержания (стояки отопления условно не
показаны)
Результаты измерений указанных параметров приведены в табл. 1.
Таблица 1. Результаты измерений температуры и влагосодержания
Ограждающая конструкция, отопительный прибор Номер точки Площадь А, м2, температура 1,, °С, внутренней поверхности ограждений и отопительных приборов и влагосодержание ш/, % М, внутреннего поверхностного слоя наружной стены для жилых помещений
1 2 3
A ti Wi A ti Wi Ai ti Wi
Наружная стена 1 0,185 22,5 1,3 0,135 21,4 1,6 0,2 23,9 1
2 0,313 21 1,8 0,438 21,4 1,9 0,313 21,2 1,6
3 0,275 20,6 1,8 0,2 22,4 1,4 0,26 21 2
4 1,07 22,5 1,4 0,783 21,9 1,4 1,16 23,8 1,2
5 1,6 21,2 1,4 1,16 23,2 1,3 1,51 22,1 1,3
6 0,555 21,4 1,6 0,405 21 1,5 0,6 24,1 1,6
7 0,638 21,8 1,4 1,01 21,6 1,2 0,638 22,4 1,2
8 0,825 21,1 1,6 0,6 23,7 1,2 0,78 21,8 1,3
9 20,8 20,3 21,4
10 22,1 21,4 23,5
11 22,2 21 23,2
12 17,9 20,8 19,1
13 20 22,6 21,7
14 19,8 21,6 19,9
Окно 15 1,81 16,5 2,54 16,9 1,81 15,7
Отопительный прибор 16 0,3 41,5 0,3 42,3 0,3 44,5
Внутренняя стена 17 7,3 23 12,3 24,2 10,6 24,6
18 7,57 24 7,57 24,1 7,57 24,5
19 7,3 24 12,3 24 10,6 24,8
Пол 20 9,2 23,8 15,6 24,5 13,4 24,3
Потолок 21 9,2 23,9 15,6 24,5 13,4 23,7
Анализ полученных результатов измерений (табл. 1) показывает, что по мере приближения к краевым зонам температура на внутренней поверхности наружных стен снижается по сравнению с гладью ограждений. Минимальная температура на внутренней поверхности стены наблюдается в краевых зонах сопряжений наружной стены с внутренними стенами и междуэтажными перекрытиями: в помещении 1 - 17,9 °С (точка 12); в помещении 2 - 20,3 °С (точка 9); в помещении 3 - 19,1 °С (точка 12). В зоне размещения отопительных приборов и стояков отопления температура повышается по сравнению с гладью стены. Максимальная температура на внутренней поверхности стены отмечается в зоне размещения стояков отопления: в помещении 1 - 22,5 °С (точки 1, 4); в помещении 2 - 23,7 °С (точка 8); в помещении 3 - 24,1 °С (точка 6). Температура на внутренней поверхности остекления меняется от 15,7 °С (в помещении 3) до 16,9 °С (в помещении 2). Температура на внутренней поверхности отопительного прибора меняется от 41,5 °С (в помещении 1) до 44,5 °С (в помещении 3). Температура на поверхности внутренних стен, пола и потолка близка к температуре воздуха в помещениях.
Минимальное влагосодержание внутреннего поверхностного слоя наружной стены наблюдается в зоне прохождения стояков отопления: в помещении 1 - 1,3 % (точка 1); в помещении 2 - 1,2 % (точки 7, 8); в помещении 3 - 1 % (точка 1), что полностью согласуется с физикой процесса совместного тепловлагопереноса. Максимальное влагосодержание отмечается в краевой зоне сопряжения наружной стены с междуэтажным перекрытием (рис. 1). Среднее влагосодержание внутреннего поверхностного слоя наружных стен соответствует условиям эксплуатации, принятым в проектной документации.
Результаты сравнения измеренных (фактических) и нормируемых параметров микроклимата жилых помещений приведены в табл. 2.
Таблица 2. Сравнение измеренных и нормируемых параметров микроклимата жилых помещений
Параметр Фактические значения параметра для жилого помещения Нормируемые значения параметра
1 2 3
1. Температура воздуха, °С 23,7 24,7 24,9 20...22 (18...24)
2. Результирующая температура, °С 23,5 24,3 24,5 19...20 (17.23)
3. Относительная влажность, % 45,8 43,6 39,8 30.45 (не более 60)
4. Скорость движения воздуха, м/с 0,01 0,03 0,04 не более 0,15 (не более 0,2)
5. Приведенный температурный перепад, °С, между температурами внутреннего воздуха и внутренней поверхности наружной стены 3,46 3,74 3,44 не более 4,0
6. Приведенная минимальная температура наружной стены в краевой зоне, °С 10,8 13,3 11,2 не ниже 9,28
7. Приведенная температура внутренней поверхности окна (в зоне остекления), °С 8,55 8,06 6,01 не ниже 3,0
Примечания
1. Параметры 5-7 приведены к расчетным условиям согласно ГОСТ 26254-84.
2. Значения параметров 1-4, приведенные в скобках, соответствуют допустимым нормам
микроклимата.
3. Нормируемое значение параметра 6 соответствует температуре точки росы внутреннего воздуха при температуре 20°С и относительной влажности 50 % для жилых зданий (СП 54.13330.2011).
Из табл. 2 видно, что параметры микроклимата в жилых комнатах отвечают оптимальным нормам по скорости движения воздуха, а также оптимальным (помещения 2, 3) и допустимым (помещение 1) нормам по относительной влажности воздуха. Вместе с тем следует отметить, что в ряде жилых комнат температура воздуха и результирующая температура выше допустимых значений, что указывает на перегрев. Обеспечение в жилых помещениях температуры воздуха в пределах оптимальных параметров может быть достигнуто за счет регулирования расхода теплоносителя в системе отопления, а также с помощью имеющихся в квартире автономных стеновых воздушных клапанов с регулируемым открыванием. Наружные ограждающие конструкции жилых комнат отвечают требованиям тепловой защиты согласно СНиП 23-02-2003 в части санитарно-гигиенического показателя. Таким образом, в процессе эксплуатации указанной квартиры обеспечены безопасные условия для проживания в соответствии с Федеральным законом № 384-ФЭ.
Используем полученные результаты натурных измерений для тестирования метода расчета температурно-влажностного режима ограждающих конструкций [17-21].
Выполним расчет температурно-влажностного режима фрагмента теплозащитной оболочки здания - узла сопряжения наружной стены с внутренней (рис. 2). Расчет выполнен по компьютерной программе [19] при фактических параметрах микроклимата помещений и наружного климата. Теплофизические характеристики материалов ограждающих конструкций рассчитаны по методике [20] на основе данных проектной документации. Граничные условия тепловлагообмена поверхностей ограждающих конструкций с окружающей средой приняты в соответствии с [20]. Начальные условия соответствуют моменту ввода конструкции в эксплуатацию.
Результаты расчета температурно-влажностного режима рассматриваемого фрагмента теплозащитной оболочки здания приведены на рис. 3 в виде графиков распределения температуры (рис. 3, а) и влагосодержания (рис. 3, б) по внутренней поверхности краевой зоны, полученных путем обработки данных интерполяцией кубическими сплайнами [22] (сплошные линии). На том же рисунке маркерами показаны результаты натурных измерений. Координатная ось направлена от стыка наружной стены с внутренней к глади наружной стены вдоль внутренней поверхности конструкции. Согласно расчету минимальная температура (18,8 °С) отмечается на стыке ограждений (рис. 3, а). По мере удаления от стыка температура повышается, достигая 23,5 °С по глади наружной стены. Максимальное влагосодержание (1,9 %) отмечается также на стыке ограждений (рис. 3, б). По мере удаления от стыка влагосодержание уменьшается до 1,2 % по глади наружной стены.
Рисунок 2. Схема проектного
решения узла сопряжения наружной стены с внутренней (крепление облицовки фасада условно не показано): 1 - наружная облицовка;
2 - вентилируемая воздушная
прослойка;
3 - эффективный утеплитель;
4 - навесная панель из керамзитобетона;
5 - цементно-песчаный раствор;
6 - железобетонная конструкция
объемного блока; 7 - замкнутая воздушная прослойка;
8 - деревянная рейка;
9 - бетонная шпонка;
10 - герметизирующая прокладка; 11 - теплоизоляционный вкладыш;
12 - воздухозащитная лента; 13 - заделка устья стыка бетоном; 14 - защитное покрытие стыка
w, %
X, M X, M
а 6
Рисунок 3. Графики распределения температуры (а) и влагосодержания (б) по внутренней поверхности узла сопряжения наружной стены с внутренней
Сравнение результатов расчета, полученных в компьютерной программе [19], с данными натурных измерений показывает их хорошее согласование. Максимальная относительная ошибка функций температуры t(x) и влагосодержания w(x) на данных узлах составляет соответственно 6,9 и 15 %.
Проведенное тестирование разработанного метода расчета температурно-влажностного режима ограждающих конструкций на результатах натурных измерений параметров микроклимата помещений подтверждает его достоверность, что позволяет использовать указанный метод в проектной практике.
Литература
1. Богословский В. Н. Тепловой режим здания. М.: Стройиздат, 1979. 248 с.
2. Лыков А. В. Теоретические основы строительной теплофизики. Минск: Издательство АН БССР, 1961. 520 с.
3. Франчук А. У. Вопросы теории и расчета влажности ограждающих частей зданий. М.: Госстройиздат, 1957. 188 с.
4. Александровский С. В. Долговечность наружных ограждающих конструкций. М.: НИИСФ РААСН, 2003. 332 с.
5. Фокин К. Ф. Строительная теплотехника ограждающих частей зданий / Под ред. Ю.А. Табунщикова, В.Г. Гагарина. 5-е изд., пересмотр. М.: АВОК-ПРЕСС, 2006. 256 с.
6. Ильинский В. М. Строительная теплофизика (ограждающие конструкции и микроклимат зданий). М.: Высшая школа, 1974. 320 с.
7. Лукьянов В. И. Нестационарный массоперенос в строительных материалах при решении проблемы повышения защитных качеств ограждающих конструкций зданий с влажным и мокрым режимом: автореф. дис. ... д-ра техн. наук: 05.23.01. М.: 1993. 48 с.
8. 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.
9. 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.
10. Перехоженцев А. Г. Теоретические основы и методы расчета температурно-влажностного режима ограждающих конструкций зданий. Научное издание. Волгоград: ВолгГАСУ, 2008. 212 с.
11. Кришер О. Научные основы техники сушки. М.: Издательство иностранной литературы, 1961. 540 с.
12. Горшков А. С., Ватин Н. И., Глумов А. В. Влияние физико-технических и геометрических характеристик штукатурных покрытий на влажностный режим однородных стен из газобетонных блоков // Инженерно-строительный журнал. 2011. № 1 (19). С. 28-33.
13. Гринфельд Г. И., Морозов С. А., Согомонян И. А., Зырянов П. С. Влажностное состояние современных конструкций из автоклавного газобетона в условиях эксплуатации // Инженерно-строительный журнал. 2011. № 2 (20). С. 33-38.
14. Rode C., Burch D. M. Empirical validation of a transient computer model for combined heat and moisture transfer // Thermal Performance of the Exterior Envelopes of Building VI, December 4-8. Clearwater Beach, FL: 1995. Pp. 283-295.
15. Künzel H. M., Kießl K. Calculation of heat and moisture transfer in exposed building components // International Journal of heat and mass transfer. 1997. No. 1. Pp. 159-167.
16. Künzel H. M. Simultaneous Heat and Moisture Transport in Building Components: One- and two-dimensional calculation using simple parameters. Stuttgart: IRBVerl., 1995. 65 p.
17. Корниенко С. В. Потенциал влажности для определения влажностного состояния материалов наружных ограждений в неизотермических условиях // Строительные материалы. 2006. № 4. С. 8889.
18. Корниенко С. В. Решение трехмерной задачи совместного нестационарного тепло- и влагопереноса для ограждающих конструкций зданий // Строительные материалы. 2007. № 10. С. 54-55.
19. Корниенко С. В. Совместный влаготеплоперенос (СОВТ) / Свидетельство № 2011611175 о государственной регистрации программы для ЭВМ. М.: ФИПС, 2011.
20. Корниенко С. В. Методы инженерной оценки влажностного режима ограждающих конструкций на основе теории потенциала влажности. Научное издание. Волгоград: ВолгГАСУ, 2011. 100 с.
21. Корниенко С. В. Оценка влияния краевых зон ограждающих конструкций на теплозащиту и энергоэффективность зданий // Инженерно-строительный журнал. 2011. № 8 (26). С. 5-12.
22. Гурский Д. А. Вычисления в MathCAD. Минск: Новое знание, 2003. 814 с.
*Сергей Валерьевич Корниенко, Волгоград, Россия Тел. раб.: +7(8442)96-98-16; эл. почта: svkorn2009@yandex.ru
