Зависимость температуры в зоне примыкания заполнения светопроема к оконному откосу от положения оконного блока Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Крупнопанельное домостроение

------ЖИЛИЩНОЕ ---

строительство

Научно-технический и производственный журнал

УДК 697.1:699.86

О.Д. САМАРИН, канд. техн. наук (samarin-oleg@mail.ru); К.И. ЛУШИН, канд. техн. наук

Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (129337, г. Москва, Ярославское ш., 26)

Зависимость температуры в зоне примыкания заполнения светопроема к оконному откосу от положения оконного блока

Рассмотрены особенности расчета стационарного двумерного температурного поля в конструкциях узла примыкания оконных блоков к светопроемам жилых зданий. Приведены результаты вычисления температуры в опасных точках примыкания для расчетных зимних условий с помощью программы для ЭВМ, реализующей метод конечных элементов. Показан анализ полученных данных и выдвинуто физическое объяснение характера поведения минимальной температуры в зоне примыкания заполнения светопроема при перемещении оконного блока по сечению наружной стены от наружной поверхности в сторону помещения. Предложены рекомендации по оптимальному размещению заполнения для наилучшего обеспечения санитарно-гигиенических требований к наружным ограждениям в соответствии с СП 50.13330.2012. Изложение проиллюстрировано примерами температурных полей для узла примыкания в жилом здании по одному из современных проектов.

Ключевые слова: оконный блок, откос, теплотехническая неоднородность, температурное поле, точка росы.

Для цитирования: Самарин О.Д., Лушин К.И. Зависимость температуры в зоне примыкания заполнения светопроема к оконному откосу от положения заполнения // Жилищное строительство. 2017. № 3. С. 30-33.

O.D. SAMARIN, Candidate of Sciences (Engineering) (samarin-oleg@mail.ru); K.I. LUSHIN, Candidate of Sciences (Engineering) National Research Moscow State University of Civil Engineering (26, Yaroslavskoe Highway, Moscow, 129337, Russian Federation)

Dependence of the Temperature in Bordering on the Glazing to the Window Slope from Window Position

Peculiarities of designing two-dimensional stationary temperature field in the structure of the site abutting window units to the aperture of residential buildings are considered. Results of calculation of temperature in hazardous adjunction points for the design winter conditions with the help of software that implements the finite element method are presented. The analysis of the obtained data is shown and advanced physical explanation of the behavior of minimum temperatures in the zone of adjacency of the fill of the lighting aperture is proposed if you move the window block in the cross section of the outer wall from the outer surface to the side of the room. Recommendations on the optimal placement of fill for the best sanitary-hygienic requirements for outdoor enclosures in accordance with SP 50.13330.2012 are offered. The presentation is illustrated with examples of temperature fields for the node of adjunction in a residential building on one of the modern projects.

Keywords: window unit, slope, thermal non-uniformity, temperature field, dew point.

For citation: Samarin O.D., Lushin K.I. Dependence of the temperature in bordering on the glazing to the window slope from window position. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2017. No. 3, pp. 30-33. (In Russian).

В настоящее время в связи с изменением требований к уровню теплозащиты наружных ограждений зданий и введением нормирования удельной характеристики расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию (СП 50.13330.2012 «Актуализированная редакция СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий», далее - СП 50) [1-2] расширяется применение новых, более сложных ограждающих конструкций с повышенным сопротивлением теплопередаче. Это относится как к несветопрозрачным ограждениям, так и к заполнениям светопроемов. Однако такие конструкции отличаются повышенной неравномерностью температурного поля в холодный период года, поскольку содержат ряд элементов, преимущественно линейных, которые вносят существенный вклад в дополнительные потери теплоты и снижение общего коэффициента теплотехнической однородности ограждения.

зо| —

Иначе говоря, эффективность использования теплоизоляционного материала в несветопрозрачных конструкциях при этом снижается. Кроме того, указанная неравномерность приводит к повышению опасности невыполнения минимальных санитарно-гигиенических требований, которые сводятся в первую очередь к отсутствию конденсации водяных паров на внутренних поверхностях непрозрачных частей (п. 5.7 СП 50.13330.2012).

В работе [3] автором рассматривался расчет температурного поля для одной из подобных опасных в теплотехническом отношении зон, а именно в поперечном сечении узла примыкания заполнения светопроема при условии его установки в перемычке между теплопроводными конструктивными слоями наружной стены. При этом было установлено, что один из способов избежать обмерзания -

^^^^^^^^^^^^^ |3'2017

Научно-технический и производственный журнал

Large-panel housing construction

это размещение переплета ближе к внутренней поверхности наружной стены, насколько это возможно технически, а также с учетом обеспечения требуемой величины КЕО в расчетной точке помещения, поскольку при увеличении заглубления переплета возрастает экранирующий эффект откосов.

Однако в современном строительстве используются и другие способы установки оконных блоков, в том числе непосредственно в пределах теплоизоляционного слоя без устройства перемычки. При этом для крепления конструкции заполнения используются соответствующие закладные детали типа стальных кронштейнов и уголков. Эти элементы, разумеется, также являются существенными теплопроводными включениями, и их наличие в значительной мере сводит на нет повышение теплотехнической однородности стены за счет отсутствия непосредственного контакта конструктивных слоев. Рассмотрим теперь, что происходит с минимальной температурой на внутренней поверхности примыкания оконного блока к откосу при перемещении заполнения по сечению проема от наружной плоскости фасада, в том числе и в пределы конструктивного слоя. Заметим, что с точки зрения удобства монтажа и прочности наиболее целесообразным является именно

последний вариант, поскольку требует наименьшего числа крепежных средств.

Для решения поставленной задачи также требуется расчет двумерного температурного поля в сечении узла примыкания. Чтобы отвлечься от дополнительных локальных эффектов, вызываемых наличием точечных или близких к ним теплотехнических неоднородностей в виде дюбелей и кронштейнов, исследуем сечение горизонтальной плоскостью, где данные детали отсутствуют, т. е. для боковых поверхностей откосов. Температурное поле здесь описывается дифференциальным уравнением теплопроводности в стационарном режиме (уравнение Лапласа) для двумерного случая (Теория тепломассообмена / Под ред. А.И. Леонтьева. М.: МГТУ; 1997. 684 с.):

d2t

d2t

= О,

Эх2 ду '

(1)

-0,2

Координата Хотк

Рис. 1. Изменение величины тотк при перемещении заполнения по сечению проема

1,16 1,1

1,06 1

0,96 0,9 0,86 0,8 0,76

0,7 0,64 0,6 0,56 0,5 0,44 0,4 0,36 0,3 0,24 0,2 0,14 0,1 0,06 0

-0,06 -0,1 -0,16 -0,2 -0,24

1,2

-0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8

Рис. 2. Температурное поле сечения оконного откоса при размещении заполнения в теплоизоляционном слое (х^!к = 0,45)

где t - температура, оС, в сечении конструкции в точке с координатами х и у, м.

Данное уравнение решается при граничных условиях 3-го рода, характеризующих связь интенсивности теплообмена на поверхностях конструкции с градиентом температуры в его массиве. В частности, для внутренней поверхности соответствующее выражение можно записать так:

-Чйг0^-^, <2>

где п - расстояние по внутренней нормали к поверхности конструкции, м; Хв - теплопроводность материала у этой поверхности, Вт/(мК); tв - температура внутреннего воздуха в помещении, оС; тв - температура поверхности в рассматриваемой точке, оС; ав - коэффициент полного теплообмена на внутренней поверхности, Вт/(м2К). Аналогичное соотношение можно составить и для наружной поверхности, но в этом случае индексы «в» у используемых переменных следует заменить на «н». На стыке материальных слоев используется граничное условие 4-го рода, выражающее непрерывность температурного поля и плотности потока теплоты.

В расчетах значения осв были приняты по СП 50.13330.2012 в размере 8,7 Вт/(м2К) для несветопрозрачной части конструкции и 8 Вт/(м2К) - для светопро-зрачной. Величина ан была взята равной 23 Вт/(м2К) также по СП 50.13330.2012. Теплопроводность слоя утеплителя А,ут учитывалась в размере 0,035 Вт/(мК) для изделий теплоизоляционных из каменной ваты непосредственно по данным производителя, для остальных материалов - по Приложению Т СП 50.13330.2012, а именно 0,05 Вт/(м-К) для монтажной пены (пенополиуретан); 0,76 Вт/(м-К) для стекла в заполнении светопроема; 58 Вт/(мК) для стальных элементов и 2,04 Вт/(м-К) для железобетонного слоя с учетом усло-

16,678

14,486

12,293

10,1

7,908

5,715

3,522

1,33

-0,863

-3,056

-5,248

-7,441

-9,634

-11,826

-14,019

-16,212

-18,405

-20,597

-22,79

Крупнопанельное домостроение

------ЖИЛИЩНОЕ ---

строительство

Научно-технический и производственный журнал

Температурное поле сечения оконного откоса при размещении заполнения

1,16 1.1 1,06

1

0,96 0,9 0,86 0,8 0,76 0Д7 0,64 0,6 0,56 0,5 0,44 0,4 0,36 0,3 0,24 0,2 0,14 0,1 0,06

0

-0,06 -0,1 -0,16 -0,2 -0,24

-1,2 Рис. 3.

в конструктивном слое (хотк = -0,57)

вий эксплуатации конструкций «Б». Температура была принята равной +20оС по требованиям ГОСТ 30494-2011 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата помещений» для рядовых жилых комнат, а для наружного воздуха величина = -25оС для наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,92 (параметры «Б») в г. Москве по данным СП 131.13330.2012 «Актуализированная редакция СНиП 23-01-99* «Строительная климатология».

При вычислениях использовалась одна из существующих программ для ЭВМ, в основе алгоритма которой лежит аппроксимация уравнения (1) с учетом условий типа (2) методом конечных элементов. В силу сложной геометрии рассматриваемой области использование аналитических методов, как это было сделано, например, в [4], здесь крайне затруднительно, поэтому большинство отечественных и зарубежных авторов, исследующих сходные вопросы, пользуются именно численным моделированием [5-9]. На рис. 1 показан результат определения основной интересующей нас величины - температуры на внутренней поверхности оконного блока в зоне примыкания. Координата хож соответствует изображению сечения откоса и его температурного поля на рис. 2 и 3. Здесь одна единица х соответствует 200 мм толщины конструкции. Теплоизоляционный слой находится справа, со стороны наружного воздуха, конструктивный - слева, причем за х = 0 выбрано положение стыка слоев, а их толщина - исходя из выполнения требований табл. 3 СП 50.13330.2012 для климатических условий Москвы.

Таким образом, при размещении заполнения в пределах теплоизоляционного слоя значение в целом значительно ниже, чем в случае, когда оконный блок устанавливается

1,2

15,98

13,816

11,652

9,489

7,325

5,161

2,997

0,834

■1,23

■3,494

5,657

7,821

9,985

12,148

■14,312

16,476

■18,64

20,803

22,967

в слое конструктивном, причем в поведении ^отс наблюдается достаточно хорошо выраженный минимум при х около 0,26.

I- J Г отк >

Если теперь учесть, что точка росы для внутреннего воздуха при iB = +20о и относительной влажности фв = 55% (расчетные значения по СП 50.13330.2012 для жилых зданий) составляет t = +10,4о, то можно получить, что установка заполнения посередине слоя утеплителя оказывается наиболее невыгодной с теплотехнической точки зрения, поскольку при этом величина оказывается в опасной близости к t.

В то же время размещение оконного блока в конструктивном слое, помимо уже указанных удобств монтажа, обеспечивает и достаточно значительное превышение т^ над точкой росы, во всяком случае, если заполнение устанавливается не слишком близко к стыку слоев.

Данный результат можно объяснить тем обстоятельством, что, поскольку теплопроводность железобетона существенно выше теплопроводности материала утеплителя (в данном случае в 58 раз) и даже выше теплопроводности стекла и тем более других материалов, используемых в конструкции оконного блока, установка заполнения в конструктивном слое значительно меньше нарушает равномерность температурного поля. Очевидно, дополнительные теплопотери через оконные откосы при этом также будут ниже, а коэффициент теплотехнической однородности стены выше. Это подтверждается и данными по коэффициентам, отражающим удельные потери теплоты линейными элементами ограждений, приведенными в СП 230.1325800.2015 «Конструкции ограждающие зданий. Характеристики теплотехнических не-однородностей».

Таким образом, и для рассмотренной конструкции подтверждается вывод, сделанный ранее автором в работе [1], относительно большей целесообразности размещения оконного блока ближе к внутренней поверхности стены. Данное соображение дополнительно подкрепляется тем, что конструктивный слой, в котором, как было установлено выше, желательно устанавливать заполнение, как правило, находится также именно со стороны помещения (В.Н. Богословский. Строительная теплофизика. М.: Высшая школа, 1982. 415 с.), и почти по той же причине - исходя из выполнения требований безопасности, связанных с отсутствием накопления влаги в толще конструкции. Тем не менее окончательное решение должно приниматься на основе комплексного учета всех факторов, влияющих на тепловлаж-ностный режим ограждений и микроклимат помещения, а также при обеспечении требуемой естественной освещенности помещений.

Список литературы

1. Гагарин В.Г., Козлов В.В. Теоретические предпосылки расчета приведенного сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций // Строительные материалы. 2010. № 12. С. 4-12.

2. Гагарин В.Г., Дмитриев К.А. Учет теплотехнических не-однородностей при оценке теплозащиты ограждающих

32| -

References

1. Gagarin V.G., Kozlov V.V. Theoretical reasons for calculation of reduced thermal resistance of building enclosures. Stroitelnye materialy [Construction materials]. 2010. No. 12, pp. 4-12. (In Russian).

2. Gagarin V.G., Dmitriev K.A. Account of thermal non-uniformities during estimation of thermal performance of

^^^^^^^^^^^^^ |3'2017

Научно-технический и производственный журнал

-------ЖИЛИЩНОЕ ---

СТРОИТЕЛЬСТВО

Large-panel housing construction

конструкций в России и европейских странах // Строительные материалы. 2013. № 6. С. 14-16.

3. Самарин О.Д. Теплофизика. Энергосбережение. Энергоэффективность. М.: АСВ, 2014. 296 с.

4. Самарин О.Д. Расчет температуры на внутренней поверхности наружного угла здания с современным уровнем теплозащиты // Известия вузов. Строительство. 2005. № 8. С. 52-56.

5. Кривошеин А.Д. К вопросу о проектировании тепловой защиты светопрозрачных и непрозрачных конструкций [электронный ресурс] http://odf.ru/k-voprosu-o-proektirovanii-tep-article_579.html (дата обращения: 28.02.2016).

6. Верховский А.А., Нанасов И.И., Елизарова Е.В., Галь-цев Д.И., Щередин В.В. Новый подход к оценке энергоэффективности светопрозрачных конструкций // Свето-прозрачные конструкции. 2012. № 1 (81). С. 10-15.

7. Brunner G. Heat transfer // Supercritical fluid science and technology. 2014. Vol. 5. P. 228-263.

8. Horikiri K., Yao Y., Yao J. Modelling conjugate flow and heat transfer in a ventilated room for indor thermal comfort assessment // Building and Environment. 2014. Vol. 77. P. 135-147.

9. Tae Sup Yun, Yeon Jong Jeong, Tong-Seok Han, Kwang-Soo Youm. Evaluation of thermal conductivity for thermally insulated concretes // Energy and Buildings. 2013. Vol. 61. P. 125-132.

building enclosures in Russia and European countries. Stroitel'nye materialy [Construction materials]. 2013. No. 6, pp. 14-16. (In Russian).

3. Samarin O.D. Teplofizika. Energosberezheniye. Energo-effektivnost' [Thermal physics. Energy saving. Energy efficiency]. Moscow: ASV, 2014. 296 p. (In Russian).

4. Samarin O.D. Calculation of temperature in the internal surface of the external corner of a building with modern level of thermal protection. Izvaetiya vuzov. Stroitefstvo. 2005. No. 8, pp. 52-56. (In Russian).

5. Krivoshein A.D. K voprosu o proektirovanii teplovoy zashityi svetoprozrachnyikh I neprozrachnyikh konstruktsiy [On the question of design of thermal protection of translucent and opaque constructions]. [electronic resource] http://odf. ru/k-voprosu-o-proektirovanii-tep-article_579.html (date of treatment: 28.02.2016). (In Russian).

6. Verkhovsky A.A., Nanasov I.I., Yelizarova E.V., Galtsev D.I., Shcheredin V.V. A new approach to the estimation of energy efficiency of transparent constructions. Svetoprozrachnye konstruktsii. 2012. No. 1 (81), pp. 10-15. (In Russian).

7. Brunner G. Heat transfer. Supercritical fluid science and technology. 2014. Vol. 5, pp. 228-263.

8. Horikiri K., Yao Y., Yao J. Modelling conjugate flow and heat transfer in a ventilated room for indor thermal comfort assessment. Building and Environment. 2014. Vol. 77, pp. 135-147.

9. Tae Sup Yun, Yeon Jong Jeong, Tong-Seok Han, Kwang-Soo Youm. Evaluation of thermal conductivity for thermally insulated concretes. Energy and Buildings. 2013. Vol. 61, pp. 125-132.