Повышение теплозащитных качеств наружных ограждающих конструкций путем совершенствования методик расчета параметров тепломассопереноса

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

• Введение
• 1. Исследование состояния теплофизических свойств ограждающих конструкций зданий
• 1.1 Ограждающие конструкции повышенной тепловой эффективности
• 1.2 Исследование условий снижения платы за отопление
• Выводы из обзора литературы
• 2. Лабораторные исследования теплозащитных свойств ограждающих конструкций
• 2.1 Описание здания
• 2.2 Теплоэффективный трехслойный блок
• 3. Методика компьютерного моделирования температурного поля
• 3.1 Описание программы ANSYSFLUENT
• 3.2 Построение геометрии в Geometry
• 3.3 Результаты компьютерного моделирования
• 4. Способы расчетно-экспериментального определения теплофизических свойств ограждающих конструкций
• 4.1 Разработка лабораторной работы
• 4.1.1 План лабораторной работы
• 4.1.2 Подготовка к испытаниям
• 4.1.3 Описание приборной базы
• 4.1.4 Проведение эксперимента
• 4.1.5 Градуировка термопары
• 4.1.6 Построение графиков зависимости изменения ТЭДС от температуры
• 4.1.7 Определения теплозащитных характеристик многослойной ограждающей конструкции
• 4.2 Результаты лабораторной работы
• 4.3 Сравнение результатов Fluent с результатами эксперимента
• 5. Сравнительный анализ тепловых потерь при различных теплопроводностях ограждающих конструкций
• 5.1 Определение сопротивления теплопередаче
• 5.2 Расчет тепловых потерь
• 5.3 Сравнение тепловых потерь
• 6. Экономические показатели
• 6.1 Технико-экономическая оценка строительства малоэтажного дома из теплоблоков
• 6.2 Зависимость платы за отопление от коэффициета теплосопротивления
• 6.3 Основные составляющие затрат при проведении энергетических обследований
• 7. Основные задачи синтеза схемы эффективной утилизации теплоты
• 7.1 Представление результатов расчета
• 7.2 Определение теплогидравлических и геометрических характеристик системы
• 7.3.Выводы и сравнение результатов расчета
• 8. Математическое моделирование 3-х слойной ограждающей конструкции
• 8.1 Математическое моделирование 3-х слойной ограждающей конструкции в программе Matlab.
• 8.1.1 Постановка задачи
• 8.1.2 Без учета коэффициента теплопроводности стержней
• 8.1.3 С учетом коэффициента теплопроводности стержней
• 9. Математическое моделирование 3-х слойной ограждающей конструкции в программе Mathcad
• 9.1 Описание основ численного метода теплового баланса. Тепловые схемы
• 9.2 Построение конечно-разностных уравнений и тепловых схем для одномерных областей
• 10. Определение фактического значения коэффициента теплосопротивления в реальных условиях
• заключение
• Список использованных источников
• Приложения
• Введение
• Конец XX и начало ХХ1 века характеризуются постоянным ростом цен на нефть, природный газ и электроэнергию, что связано с исчерпанием запасов традиционных источников энергии и что послужило естественным толчком для рационального использования энергоресурсов, для поиска решений, ведущих к их экономии.
• Научно-техническая и промышленная революции прошлого столетия привели к созданию огромного количества предприятий и различных форм производства, для работы которых необходимы миллионы тонн условного топлива. При этом следует учитывать постоянный рост объектов производства, а, следовательно, и потребляемой энергии. С одной стороны, строительство объектов какой-либо индустрии на территории государства ведёт к обеспечению населения рабочими местами и к росту экономики в целом. С другой стороны, появляется новый источник энергопотребления. Связь между ВВП страны и энергоёмкостью производства на примере Российской Федерации проанализирована И. А. Башмаковым, исполнительным директором Центра по эффективному использованию энергии (ЦЭНЭФ) [1].
• Строительство современных энергоэффективных зданий является одним из приоритетов научно-технической политики Российской Федерации. В тоже время, в Российской Федерации наблюдается дефицит жилого фонда. По оценкам она составляет 1,57 миллиарда квадратных метров, и ежегодное строительство не сокращает этот дефицит. Следовательно, усилия специалистов должны быть сосредоточены на удешевлении строительства с одновременным повышением его энергоэффективности. Такой подход может быть реализован только через радикальное повышение наукоёмкости строительства.
• Одна из важнейших задач энергоэффективного строительства - повышение качества ограждающих конструкций без существенного увеличения их стоимости. В 2012 году был утвержден СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий. Актуализированная редакция СНиП 23-02-2003».
• В конце 2010 года Правительство утвердило «Государственную программу Российской Федерации энергосбережения и повышения энергетической эффективности на период до 2020 года». Данная программа нацелена на обеспечение за счёт реализации, включенных в неё мероприятий снижения энергоёмкости ВВП на 13,5% к 2021 году и на обеспечение годовой экономии первичной энергии в объёме не менее 100 млн т у.т. к 2016 году и 195 млн т у.т. к 2021 году. Главная задача разработчиков программы - отход от концепции прямого финансирования проектов, но при этом нацеленность на стимулирование софинансирования их выполнения [1].
• В последние годы в России уделяется всё больше внимания вопросу экономии энергоресурсов. Несмотря на отдельные успехи в некоторых отраслях промышленности, в целом мы существенно отстаём в этом от достижений стран Запада и Америки. Согласно [2], расход электрической энергии на 1 доллар валового продукта составляет на мировом рынке 0,46 кВтч, в США - 0,52 кВтч, в России же - 4,7 кВтч. Доля энергии в структуре и себестоимости валового продукта составляет около 50%, тогда как в промышленно развитых странах она меньше 5%. Нерациональное использование энергоресурсов наносит ежегодно ущерб в размере 40 млрд.у.е.
• Серьёзных продвижений и результатов по данному вопросу в области строительства можно добиться активной пропагандой, агитацией и внедрением в массы идеи экономии ресурсов и разумного использования природных ископаемых, а также путём проведения широкого фронта исследований по повышению энергоэффективности зданий и их ограждающих конструкций. Затраты на подобные мероприятия малы по сравнению с прогнозируемой экономией.
• Действительно, строительство выделяется среди основных энергоёмких отраслей экономики страны. Из общего энергопотребления данной отраслью 90% расходуется при эксплуатации зданий. Наибольшим энергопотреблением характеризуются жилые здания - 50-55%, несколько меньшим - 35-45% - промышленные здания, а на долю гражданских зданий приходится около 10% [3].
• В целом, для теплоснабжения гражданских зданий требуется до 30% добываемого в нашей стране твёрдого и газообразного топлива. Потенциал энергосбережения в России составляет 40-45% современного энергопотребления в стране, что находится в пределах 360-430 млн т.у.т. Свыше трети этого потенциала сосредоточена в жилищно-коммунальном хозяйстве, а в строительстве и промышленности - свыше одной трети [4].
• Актуальность работы. В настоящее время в России начинается экспериментальное строительство зданий с низким энергопотреблением. Но существуют препятствия для их активного продвижения. Основной причиной является разница между нормативными и фактическими значениями сопротивления теплопередачи ограждающих конструкций при строительстве и реконструкции зданий, что зачастую приводит к образованию плесени на стенах. В связи с этим исключительную актуальность приобретает исследование энергосбережения в зданиях и сооружениях.
• Цель работы. Повышение теплозащитных качеств наружных ограждающих конструкций путём совершенствования методик расчета параметров тепломассопереноса.
• Задачи исследования.

1. Провести натурные исследования состояния ограждающих конструкций, особенностей их конструктивных решений, влияющих на теплофизические показатели тепломассопереноса.

2. Провести численные исследования в программе «Matlab».

3. Провести компьютерное моделирование в программе «Ansys».

4. Объект исследования: наружные ограждающие конструкции жилых зданий.

Предмет исследования. Процессы тепломассопереноса, обеспечивающие повышение тепловой эффективности наружных ограждающих конструкций и требуемые условия микроклимата помещений.

Методы исследования. Натурные исследования тепловой защиты зданий, физико-математическое моделирование и численные эксперименты процессов тепломассопереноса через наружные ограждающие конструкции (теплопередача).

Научная новизна.

1. Получены расчётные зависимости сопротивления теплопередаче увлажнённого слоя наружных ограждений, находящегося в зоне отрицательных температур, и теплопотерь через эти конструкции от объёмной влажности и плотности материала;

2. Усовершенствована методика определения коэффициента теплопроводности теплоблока;

3. Разработана методика энергосбережения на основе оптимизации приведенных затрат при строительстве путем варьировании теплоизоляционным материалом, его толщиной и расположением в теплоблоке.

Теоретическая и практическая значимость работы:

1. Получены фактические теплозащитные характеристики наружных ограждений многоэтажных жилых зданий при строительстве в условиях г. Вологды, послужившие основой для разработки методик энергосбережения;

2. Разработаны программные продукты для ЭВМ по расчёту и нахождению оптимальных теплофизических параметров теплоблока, которые позволяют получить энергосберегающий эффект, т.е. снижение капитальных затрат при сохранении/уменьшении эксплуатационных затрат.

Достоверность результатов, полученных при проведении натурных и лабораторных исследований, вычислительных экспериментов обеспечивалась использованием современных методов и средств измерений, аппаратов математического моделирования и обоснована применением классических положений теории тепломассопереноса.

1. Исследование состояния теплофизических свойств ограждающих конструкций зданий

Исследования в области расчета, приведенного сопротивления теплопередаче и учета влияния теплотехнических неоднородностей в разные годы проводили К.Ф. Фокин, В.Д. Мачинский, О.Е. Власов, Ф.В. Ушков, Б.Ф. Васильев, В.Н. Богословский, Г.К. Авдеев, С.Г. Черников, В.Р. Хлевчук, А.И. Ананьев, В.К. Савин, В.А. Могутов, И.Н. Бутовский, В.Г. Гагарин, В.В. Козлов, И.С. Каммерер и др.

В данной главе анализируются результаты исследований состояния теплофизических свойств ограждающих конструкций зданий.

1.1 Ограждающие конструкции повышенной тепловой эффективности

В отечественной и зарубежной практике проектирования и строительства используется достаточно широкий спектр наружных ограждающих конструкций повышенной тепловой эффективности. Необходимый уровень тепловой защиты глухих участков наружных ограждений устанавливается посредством увеличения термической однородности конструкций, применения высокоэффективных утеплителей, рационального размещения в массиве ограждения теплоаккумулирующих и теплоизоляционных слоев, оптимизации толщин последних. В методе комплексной оценки тепловой эффективности наружных стен [5,6,7], разработанном в начале 80-х годов, дан анализ тепловой эффективности слоистых, в том числе и однослойных, стеновых конструкций, позволивший установить зависимость между сопротивлением теплопередаче конструкции и суммарным расходом тепла. Этот метод показал нецелесообразность дальнейшего увеличения толщины наружного ограждения, поскольку при этом хотя и достигается незначительное снижение суммарного расхода тепла за счет увеличения сопротивления теплопередаче ограждения, но зато возрастает расход тепла на изготовление материалов и производство конструкций.

В современной практике наружного утепления стен зданий широкое применение получили конструкции навесных фасадов с вентилируемым зазором и защитно-декоративной облицовкой из листовых или плитных материалов. Шойхетом Б.М. в [8] рассмотрено влияние конструктивных факторов, тепловых мостиков, воздухопроницаемости теплоизоляционных материалов и качества монтажа на энергоэффективность таких фасадов. Корниловым Т. А. [9] на основе натурных обследований вентилируемых фасадов зданий в условиях сурового климата проведён анализ основных недостатков вентилируемых фасадных систем. Установлены наиболее характерные участки утечки тепла через стеновые ограждающие конструкции, определены фактические технические характеристики теплоизоляционных материалов вентилируемых фасадных систем.

Езерским В. А. и Монастырёвым П.В. в [10] установлено, что повышение тепловой защиты здания с использованием дорогих и долговечных материалов приводит в конечном счёте к экономии средств, превышающей в два раза капиталовложения, а в публикации [11] рассмотрено влияние параметров объёмно-планировочного решения на потребность в тепловой энергии на примере односекционного жилого дома повышенной этажности.

Куприяновым В.Н. [12] разработаны методы расчёта эксплуатационного тепловлажностного состояния материалов наружного утепления и облицовочных слоёв, основанные на взаимодействии климатических факторов и свойств ограждающих конструкций, а также приведены результаты натурных исследований эксплуатационных воздействий на материалы фасадных систем с тонким слоем штукатурки.

В работе [13] представлен метод расчёта, приведённого сопротивления теплопередаче неоднородной брусчатой стены с фасадным утеплением, проведена оценка влияния внутреннего и внешнего утепления на теплозащитные свойства брусчатых стен с помощью разработанных аналитических зависимостей и математического моделирования. Установлено, что фасадное утепление уменьшает тепловые потери в 1,8 раза.

В публикации [14] рассмотрены проблемы оптимизации теплозащитных свойств ограждающих конструкций промышленных зданий и предложены пути сокращения тепловых потерь зданий, возводимых в условиях сурового климата. Проанализирована зависимость влажностного режима помещения и возможности конденсации влаги при температурах наружного воздуха 0 оС и -39оС. Выявлено, что в помещениях с повышенной влажностью необходимо производить проверочные расчёты при температуре наружного воздуха 0 оС.

В работах [15,16,17,18] рассматривается вопрос о теплопереносе через стены подвальных помещений.

Исследования [19,20,21] посвящены изучению тепловых режимов неоднородных ограждающих конструкций. В [22] проведено исследование стационарного теплопереноса в зимнее время, экспериментально изучены тепловые режимы фрагмента наружной стены, получены значения температур и плотности теплового потока в характерных точках.

Совместный нестационарный тепло- и влагоперенос в ограждающих конструкциях зданий рассмотрен в [23]. В [24,25] исследован тепло- и влагоперенос в деревянной брусчатой стене при переменных значениях температуры и относительной влажности наружного воздуха.

В работах [26,27] описываются особенности охлаждения внутренней поверхности стены и наружного угла после отключения теплоснабжения.

Публикация [28] посвящена вопросам измерения удельных тепловых сопротивлений ограждающих конструкций в стационарном и нестационарном режимах.

Назировым Р. А. в [29] представлены результаты исследований температур на внутренней поверхности угловых частей ограждающих конструкций с применением металлических элементов. Установлено, что применение алюминиевых пластин эффективно. Определены оптимальные геометрические размеры металлических пластин с точки зрения влияния на температуру внутренней поверхности углов ограждающих конструкций.

В работе [30], выполненной при поддержке РФФИ, предлагается инженерная формула для определения относительной избыточной температуры на внутренней поверхности угла, которая позволяет с учётом внутренней и наружной температур воздуха более точно определить температуру в углу ограждающей конструкции.

Локальные характеристики наружного конвективного теплообмена около стены здания рассматриваются в работе [31].

В работе [32] приведены результаты испытаний энергоактивной конструкции, располагаемой в процессе проектирования или реконструкции здания в нишах наружных ограждений или на части светопрозрачных ограждений.

Для расчёта теплопередачи ограждающих конструкций в [33] разработана программа «TEMPER-3D».

Калашниковым М.П. [34] на примере плодоовощехранилищ рассмотрены особенности теплотехнического расчёта наружных ограждающих конструкций в сооружениях подземного типа, рассматриваются три метода определения термического сопротивления: метод, изложенный в СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» [35], метод В.И. Бодрова [36], метод Г.М. Позина [37].

Хуторным А.Н. [38] предложен способ повышения теплозащитных свойств, монолитно возводимых керамзитобетонных наружных стен зданий путём устройства в них вертикальных теплоизоляционных вставок. Такое выполнение позволяет уменьшить массу стены на 20% и повысить термическое сопротивление конструкции на 30-50%. В [39] для улучшения теплозащиты брусчатых наружных стен предлагается изготовлять их из неоднородных брусьев с горизонтальными теплоизоляционными вставками. На основании теоретических и экспериментальных исследований таких вставок в работе [40] разработана численная технология, которая позволяет прогнозировать тепловое состояние наружных керамзитобетонных и брусчатых стен с теплоизоляционными вставками в холодных климатических условиях.

Вопросы накопления влаги в многослойных конструкциях наружного ограждения здания, а также вопросы проектирования таких конструкций с целью обеспечения как теплозащитных качеств, так и нормального влажностного режима в зимний период эксплуатации рассмотрены в работе [41].

В работе [42] исследован нестационарный пространственный теплоперенос в неоднородном угловом фрагменте деревянной брусчатой стены здания, установлен характер распределения температурных полей.

Результаты вычисления дисконтированного срока окупаемости дополнительной теплоизоляции несветопрозрачных наружных ограждений приведены в [43].

В работе [44] рассмотрен процесс теплопередачи через наружный угол; показано, что появление точки росы в углу зависит не столько от температуры внутри помещения, сколько от влажности этой среды; приводится инженерная формула для вычисления требуемого сопротивления теплопередаче, которое гарантирует отсутствие конденсата на внутренней поверхности ограждения.

Кононовой М.С. в [45] исследовано влияние утепления различных наружных ограждающих конструкций на относительную годовую экономию энергоресурсов, необходимых для отопления зданий. Показана величина теплопотребления зданий, имеющих различную этажность, геометрические характеристики и коэффициент остеклённости.

К одной их перспективных зарубежных разработок, существенно повышающих теплотехнические свойства наружных ограждений, относится динамическая теплоизоляция глухих участков стен. Сущность предложенного разработчиками способа теплоизоляции основана на движении потока свежего наружного или теплого вентиляционного воздуха в толще стены параллельно ее плоскости с выходом в атмосферу или помещение [46,47,48].

Специалистами Германии было подсчитано, что при рациональном решении теплоизоляции зданий мощность инженерного оборудования зданий можно сократить на 50% и более [49,50].

С середины 80-х годов за рубежом, а после 1995 г. и в нашей стране получили распространение способы наружной теплоизоляции стен в виде каркасного и бескаркасного крепления теплоизоляционного материала, с устройством декоративно- защитной штукатурки [51,52,53].

Ряд работ [54,55,56,57,58] посвящён оценке влияния степени увлажнения материала на их теплоэнергетические характеристики. В этих работах анализируются причины увлажнения материала в условиях эксплуатации, а также показано их влияние на долговечность конструкции.

Куприяновым В.Н. в [59] рассмотрены закономерности конденсации парообразной влаги при суточных колебаниях температуры наружного воздуха. Выявлено, что в зимний период действительную упругость водяного пара по сечению ограждения следует считать неизменной, а процесс конденсации определяется изменчивостью максимальной упругости водяного пара по сечению ограждения вследствие изменчивости температуры в тех же сечениях ограждения.

Богословским В.Н. [60] исследованы возможности по сокращению теплопоступлений через покрытие с вентилируемой воздушной прослойкой при нестационарном режиме теплопередачи. Выявлено, что теплопоступление через такое покрытие составляет 30-40% теплопоступления через покрытие без прослойки. Результаты данного исследования имеют потенциал для дальнейших разработок по созданию энергоэффективных ограждающих конструкций с вентилируемой воздушной прослойкой.

В исследованиях по повышению энергетической эффективности ограждающих конструкций интерес представляет так называемый экономайзерный эффект, возникающий в капиллярно-пористой структуре наружного ограждения. Как отмечается в [60], этот эффект возникает при инфильтрации холодного воздуха через массив наружного ограждения. При прохождении через структуру конструкции, воздушные массы подогреваются тепловым потоком, движущимся из отапливаемого помещения. Таким образом, часть тепла утилизируется и возвращается в помещение. Результаты данного исследования свидетельствуют о возможности использования в ограждающих конструкциях материалов с повышенной воздухопроницаемостью, хотя в главном нормативном документе по тепловой защите зданий [61] отмечается, что значение поперечной воздухопроницаемости наружных стен и перекрытий жилых зданий не должно превышать 0,5 кг/(м2ч).

1.2 Исследование условий снижения платы за отопление

23 октября 2009 г. Президентом РФ подписан Федеральный закон № 261- ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности, и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» [62]. Данный документ является основой политики страны в области энергосбережения во всех отраслях экономики, в том числе и в строительстве.

25 января 2011 г. принято постановление Правительства РФ №18 «Об утверждении Правил установления требований энергетической эффективности для зданий, строений и сооружений, и требований к правилам определения класса энергетической эффективности многоквартирных домов». В п.15 Правил указано: «После установления базового уровня требований энергетической эффективности зданий, строений, сооружений требования энергетической эффективности должны предусматривать уменьшение показателей, характеризующих годовую удельную величину расхода энергетических ресурсов в здании, строении, сооружении, не реже 1 раза в 5 лет:

· с января 2011 года (на период 2011-2015 годов) - не менее чем на 15% по отношению к базовому уровню;

· с 1 января 2016 года (на период 2016-2020 годов) - не менее чем на 30% по отношению к базовому уровню;

· с 1 января 2020 года - не менее чем на 40% по отношению к базовому уровню».

К важным моментам Правил следует отнести:

· в качестве показателя энергетической эффективности принимается удельная годовая величина расхода энергетических ресурсов в здании;

· расход тепловой энергии на отопление и вентиляцию выделен отдельной строкой, т.к. на стадии проектирования здания -- это наиболее предсказуемое теплопотребление;

· постановление даёт возможность органам исполнительной власти субъектов РФ принимать более жёсткие меры для повышения энергетической эффективности;

· в гарантийных обязательствах по вводимому в эксплуатацию зданию во всех случаях предусматривается обязанность застройщика по обязательному подтверждению нормируемых энергетических показателей как при вводе дома в эксплуатацию, так и по последующему подтверждению не реже чем 1 раз в 5 лет [63].

Неотъемлемой частью вопроса об энергоэффективности являются нормативные документы, регламентирующие методы расчёта и допустимые величины основных параметров. Рассмотрение данных документов позволит выявить наиболее актуальные вопросы, а также выявить методики, корректировка которых на основе последних исследований может привести к более точной оценке энергоэффективности ограждающих конструкций.

Основным документом при проектировании тепловой защиты строящихся или реконструируемых жилых, общественных, производственных, с/х и складских зданий общей площадью более 50 м2, является СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий. Актуализированная редакция СНиП 23-02-2003» [61], утверждённый приказом Министерства регионального развития РФ от 30 июня 2012 г. №265. Следует отметить принципиальные отличия актуализированной версии от предыдущей. Оценка эффективности производится по совершенно новому показателю - удельной теплозащитной характеристике здания kc5, измеряемой в Вт/ (м3 оС). В [64] основным показателем был удельный расход тепловой энергии на отопление здания qhdes, измеряемый в кДж/ (м2 °С сут) или кДж/ (м3 °С сут). Введены "региональные" понижающие коэффициенты к величине R^o. Количество классов энергоэффективности увеличилось до 10. Расчёт приведённого сопротивления теплопередаче фрагмента теплозащитной оболочки здания или любой выделенной ограждающей конструкции основан на представлении фрагмента в виде набора независимых элементов, каждый из которых влияет на тепловые потери через фрагмент; удельные потери теплоты, обусловленные каждым элементом, находятся на основе сравнения потока теплоты через узел, содержащий элемент, и через тот же узел, но без исследуемого элемента.

Для отдельных регионов России составляются территориальные строительные нормы и правила по энергосбережению, учитывающие потенциал местной сырьевой базы [65,66,64] и особенности природно-климатических условий конкретной территории.

Долгосрочные региональные программы в области энергосбережения, разработка которых обязательна, приняты в большинстве субъектов РФ.

Постановление Правительства Вологодской области от 07.12.2009 года № 1866 «О концепции энергосбережения на территории вологодской области на 2010 - 2015 годы и на перспективу до 2020 года» [68] обязывает организовывать мероприятия по стимулированию повышения уровня теплозащиты наружных ограждающих конструкций зданий.

Постановление от 28 июня 2010 года N 739 «О стратегии социально-экономического развития вологодской области на период до 2020 года» [69] устанавливает требования к эффективности теплоснабжения потребителей в Вологодской области. В данном документе описаны задачи, которые необходимы для решения:

- реконструкция существующих и строительство модульных котельных;

- разработка схем теплоснабжения;

- оптимизация гидравлических режимов;

- организация водоподготовки на котельных;

- реконструкция тепловых сетей;

- установка приборов учета.

Обзор региональных нормативных документов не выявил высоких требований к энергоэффективности зданий, поэтому требуется тщательная доработка концепции энергосбережения на территории вологодской области, которая включает в себя комплексный подход по снижению потребления теплоты в зданиях.

Выводы из обзора литературы

Анализ опубликованных результатов исследований по теме диссертационной работы позволил установить следующее:

1. действующая система нормативных документов и расчетов по тепло- массопереносу через наружное ограждение, по формированию микроклимата помещений не учитывает в полной мере всей сложности и комплексности решения по задач энергосбережению и созданию экологически чистой воздушной среды в помещениях энергоэффективного здания, а ошибки в проектировании, дефекты в строительстве, неграмотная эксплуатация элементов тепловой защиты и устройств по естественной вентиляции помещений существенно усугубляют решение этих задач;

2. существует необходимость в более точной оценке уровня энергоэффективности наружных ограждений, основанной на учете специфики протекания физических процессов тепломассопереноса через толщу ограждений в конкретных условиях эксплуатации зданий;

3. недостаточно исследована тепловая эффективность увлажненных конструктивных слоев наружных стен в холодные периоды их эксплуатации;

4. не полностью раскрыт потенциал энергоактивности наружных ограждений по утилизации теплового потока, уходящего через их толщу;

5. не до конца исследован и в общепринятой методике расчета не учитывается так называемый экономайзерный эффект, возникающий в капиллярно-пористой структуре наружного ограждения и обеспечивающий энергосбережение за счет уменьшения количества, поступающего в помещение холодного вентиляционного воздуха через приточные отверстия.

2. Лабораторные исследования теплозащитных свойств ограждающих конструкций

2.1 Описание здания

теплозащитный наружный ограждающий конструкция

Объект строительства -спортивный корпус ОАО «Северсталь» в городе Череповец.

Исходными данными для данной работы являются расчетные параметры воздуха. Расчетные параметры разделяются на внутренние и наружные. По [71,72] определяем параметры наружного и внутреннего воздуха для г. Череповец, и сводим их в таблицу 2.1.

Таблица 2.1 - Расчетные параметры воздуха

Наименование параметра	Обозначение	Значение	Единица измерения
1	2	3	4
Наружные расчетные параметры
Температура холодной пятидневки	text	-32	оС
Средняя температура наружного воздуха за отопительный период	tср	-4,1	оС
Продолжительность отопительного периода	z	231	сут

2.2 Теплоэффективный трехслойный блок

Применение теплоэффективных блоков в строительстве домов и коттеджей приносит застройщику ощутимый экономический эффект. Незначительный вес теплоэффективных блоков снижает транспортные расходы и избавляет стройку от необходимости иметь подъемные устройства. Применение клея, а не цементных растворов, исключает доставку большого количества воды, цемента и песка на стройку, дает постоянно высокое качество кладки, сводит к минимуму тяжелый, не продуктивный ручной труд. Четкие геометрические размеры блока и продуманная его номенклатура позволяет использовать персонал более низкой квалификации. Скорость кладки не соизмерима ни с каким другим материалом, тем более, что при возведении стен строитель избавлен от дальнейшей ее наружной обработки. Стена просто красится при помощи краскопульта или любым другим традиционным способом. Прочность стены, уложенной на клей, становится максимальной в течение всего нескольких часов. Это позволяет не ограничивать производительность бригады каменщиков при кладке стены технологическими перерывами.

В идеальном случае бригада из четырех человек может выложить один этаж дома за одни сутки! Скорость возведения домов из теплоэффективных блоков в несколько раз превосходит скорость строительства домов из любых других материалов. Строитель получает возможность при более низких затратах, за то же время, и теми же бригадами, построить в несколько раз больше современных прекрасных каменных домом, спрос на которые очень высок. Теплоэффективный блок с успехом может применяться и при возведении многоэтажных каркасных домов в качестве ограждающего самонесущего материала.

Рядовой Блок (по размерам больше обычного кирпича в 12--13 раз) состоит из трех слоев, скрепленных двумя стеклопластиковыми стержнями, выдерживают нагрузку на разрыв до 1000 кг, некоррозийные, щелочестойкие, легче металлических аналогов (для достижения такой же прочности необходима арматура диаметром 12 мм).

Толщина наружного, защитно-декоративного слоя фактурного бетона всего 5 см.

Затем идет слой пенополистерола-утеплителя.

Завершает сэндвич-конструкцию несущий слой керамзитобетона.

Таким образом, толщина стены, сложенной из теплоблоков, всего равна около 40-сантиметров.

Фасадный слой блока -- это керамзитобетон повышенной прочности. Защитно-декоративный слой может иметь различную фактуру. Фасадная часть блока может быть окрашена, что придаст дому эксклюзивность и индивидуальность.

Внутренний слой это пенополистерола ПСБС-25 плотностью от 15 до 25 кг/мі. Высокая плотность пенополистерола это отличные теплосберегающие характеристики и большой срок службы. Для увеличение качества пенополистерола используется. Пенополистерола высокой плотности так же обладает отличными свойствами шумоизоляции.

Для производства блока используются:

1. Керамзит

2. Цемент

3. Песок- речной, мытый

4. Пенообразователь

5. Пластификатор

6. Стеклопластиковая арматура

Технологическим недостатком всех существующих способов возведения домов является то, что «Точка росы» у стен находится в толще бетона, и здесь не обойтись без утеплителя, чтобы стены не промерзали. В данной технологии эта проблема с успехом решена

2.3 Преимущества строительства домов из «ТЕПЛОБЛОКОВ»

1. Потери тепла через стены меньше в 5 раз, а отопление в 3 раза экономичнее.

2. Возможно строительство зданий до 3-х этажей включительно, без применения каркаса, класть плиты перекрытия.

3. Морозостойкость теплоблоков составляет 50 циклов (кирпича 25 циклов, газобетона 35 циклов).

4. Экологичность (для производства используются цемент, песок, керамзит и вода).

5. Пожаробезопасность (утеплитель надежно «замурован» внутри каждого блока).

6. Эстетичность (наличие фактурного лицевого слоя позволяет имитировать любые виды каменных, кирпичных и лепных покрытий фасадов).

7. Экономия при сооружении фундаментов составляет 15-20% (стены из трехслойных тепло эффективных блоков в 2-3 раза легче кирпичных).

8. Экономия (кладка стен ведется в один ряд, исключается наружная отделка, что всегда связано с большими затратами труда и материалов, толщина стен возведенных из «ТЕПЛОБЛОКА» меньше, что приводит к увеличению площади квадратных метров в помещениях без дополнительных затрат).

9. Скорость при возведении стен (строительство из «ТЕПЛОБЛОКА» существенно сокращает сроки возведения объекта, не теряя качества (строительство 2-х этажного дома 200 кв. м занимает порядка 40-45 дней)).

Геометрия теплоблока

В длину он равен 350 мм, в ширину 340 мм, а в высоту 170 мм и общим весом примерно 23 кг. Геометрия теплоблока предоставлена на рисунке 2.2:

Риунок 2.2 - Геометрия Теплоблока

3. Методика компьютерного моделирования температурного поля

3.1 Описание программы ANSYSFLUENT

Программный модуль ANSYS FLUENT имеет широкий спектр возможностей моделирования течений жидкостей и газов для промышленных задач с учетом турбулентности, теплообмена, химических реакций. К примерам применения FLUENT можно отнести задачи обтекания крыла, горение в печах, течение внутри барботажной колонны, внешнее обтекание нефтедобывающих платформ, течение в кровеносной системе, конвективное охлаждение сборки полупроводника, вентиляция в помещениях, моделирование промышленных стоков. Специализированные модели горения, аэроакустики, вращающихся/неподвижных расчетных областей, многофазных течений серьезно расширяют области применения базового продукта.

ANSYS FLUENT - это удобный, отказоустойчивый инструмент, позволяющий даже новичкам достигать высокой производительности труда. Интеграция модуля ANSYS FLUENT в рабочую среду ANSYS Workbench, а также возможность использования модуля ANSYS CFD-Post для обработки результатов создает комплексное решение для выполнения инженерного анализа в области моделирования течений жидкостей и газов.

Техническая поддержка компании «Делкам-Урал» предлагает всестороннее обучение, нацеленное на достижение пользователями успехов в решении задач. Важнейшие компоненты - всесторонние модели, простота в использовании, техническая поддержка - объединены друг с другом, что позволяет использовать модуль ANSYS FLUENT во многих отраслях промышленности[73].

3.2 Построение геометрии в Geometry

1) Запускаем Workbench,

2) добавляем модуль Geometry, как показано на рисунке 3.1

3) Запускаем Design Modeler,

4) Рисуем слои Теплоблока с помощью команды Create>Primitives>Box как показано на рисунке 3.2,рисунок 3.3,рисунок 3.4:

Рисунок 3.1 - добавление модуля Geometry

Рисунок 3.2 - Создание 1 слоя

Рисунок 3.3 - Создание 2 слоя

Рисунок 3.4 - Создание 3 слоя

5) В модуле Mesh разбиваем полученную геометрию на конечные элементы с настройками, представленными на рисунке 3.4. Задаем названия границ (Named Selection).



Рисунок 3.5 - Создание сетки

6) Задаем граничные условия в модуле Fluent рисунок 3.6,рисунок 3,7

Рисунок 3.6 - Включение модели энергии

Рисунок 3.7 - Создание материала 1 слоя

Рисунок 3.7 - создание материала для 2 слоя

Рисунок 3.8 - создание материала для 3 слоя

7) Задаем граничных условий 2 рода рисунок 3.9, рисунок 3.10, рисунок 3.11

Рисунок 3.9 - Задание граничных условий 2 рода на внутренней поверхности

Рисунок 3.10 - Задание граничных условий 2 рода на наружной поверхности

Рисунок 3.11 - Задание граничных условий 2 рода по остальным поверхностям

8) Производим инициализацию расчета рисунок 3.12

9) Запускаем расчет.

Рисунок 3.12 - инициализация расчет

9) Производим обработку результатов моделирования теплопередачи в Теплоблоке после решения 2-х задач, когда теплопроводность задавалась по нормативам и по экспериментальным значениям в модуле Results рисунок 3.13.

3.3 Результаты компьютерного моделирования

В данной работе были исследованы конвективные течения в цилиндрическом слое жидкости с локализованным нагревом в центральной области в пакете ANSYS. Результаты проведенного исследования показали, что варьирование мощности нагрева в рамках используемой численной модели не приводит к существенным изменениям в структуре течений. От жидкости и мощности нагревателя зависят только количественные характеристики: изменение интенсивности движения и частоты появления конвективной струи. С увеличением мощности нагрева увеличивается средняя кинетическая энергия течения, и частота появления вторичных структур в виде конвективных струй.

Рисунок 3.13 Результаты моделирования по Fluent

В ходе решения задачи было проведено сравнение решений, полученных различными решателями CFX и FLUENT и экспериментом: значения частоты генерации мелкомасштабных структур, полученных в CFX и FLUENT, являются похожими. На масле и CFX и FLUENT хорошо согласуются с экспериментом, но только для малых мощностей нагрева. Таким образом, нужно переходить к трехмерным расчетам и искать механизм который обуславливает отличие осесимметричного случая и трехмерного.

Были исследованы конвективные течения в неподвижном цилиндрическом слое жидкости со стоком в центре. В осесимметричной постановке задачи в неподвижном слое жидкости вихревые движения не возникают. Это означает, что это явление имеет трехмерную природу и нужно переходить к трехмерным расчетам для изучения вихревых движений в неподвижном слое жидкости.

4. Способы расчетно-экспериментального определения теплофизических свойств ограждающих конструкций

4.1 Разработка лабораторной работы

В данной лабораторной работе будет экспериментальным методом определен коэффициент теплопроводности. Работа будет проводится с помощью приборной базы. По результатам проведения эксперимента будут выявлены теплотехнические свойства теплоблока.

4.1.1 План лабораторной работы

Лабораторная работа представляет из себя следующую последовательность действий:

1. Установка теплоблока в климатическую камеру

2.Градуировка термопар

3. Измерение приборной базы

4. Выход на стационарный процесс и последующей измерение результатов

5. Обработка результатов

6. Определение теплопроводности

7. Вывод

4.1.2 Подготовка к испытаниям

Подготовку к экспериментальному определению сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции начинают с составления программы испытаний и схемы размещения первичных преобразователей температур и тепловых потоков. В программе испытаний определяют вид испытания (лабораторные, павильонные, натурные), объекты, район, ориентировочные сроки, объем испытаний, виды ограждающих конструкций, контролируемые сечения и др. данные, необходимые для решения поставленной задачи.

Схему размещения первичных преобразователей температур и тепловых потоков составляют на основе проектного решения конструкции или по предварительно установленному температурному полю поверхности испытываемой ограждающей конструкции. Для этого при испытаниях в климатических камерах или павильонах полностью смонтированную ограждающую конструкцию подвергают временному тепловому воздействию при помощи оборудования, после чего, не дожидаясь установления стационарного режима, с целью выявления теплопроводных включений и термически однородных зон, их конфигурации и размеров, снимают температурное поле с помощью тепловизора, терморадиометра и термощупа. Контуры основных температурных зон по результатам термографирования наносят на поверхность ограждающей конструкции.

При натурных испытаниях сразу приступают к измерению температур поверхностей и устанавливают термически однородные зоны и места расположения теплопроводных включений.

Тепловизор устанавливают таким образом, чтобы в поле зрения попала по возможности вся конструкция. Полученные на мониторе термограммы фиксируют с помощью фотоаппарата или видеомагнитофона. Допускается получение изображения всей площади испытываемого фрагмента ограждающей конструкции последовательным термографированием участков.

При измерении температур термощупом внутреннюю и наружную поверхности ограждающей конструкции разбивают на квадраты со сторонами не более 500 мм. Зоны с теплопроводными включениями разбивают на более мелкие квадраты в соответствии с конструктивными особенностями. Температуру поверхности измеряют в вершинах этих квадратов и непосредственно против теплопроводных включений. Значения температур наносят на эскиз ограждающей конструкции. Точки с равными температурами соединяют изотермами, определяют конфигурацию и размеры изотермических зон. Для выявления термически однородных участков допускается ограничиться измерением температур внутренней поверхности ограждающей конструкции в случае невозможности измерения температур с наружной стороны.

Первичные преобразователи температур и тепловых потоков располагают в соответствии со схемой. Пример схемы размещения термопар по сечению и на поверхности ограждающей конструкции и подключения их к измерительной аппаратуре приведен в приложении.

При необходимости схему размещения первичных датчиков уточняют по результатам термографирования поверхности испытываемой ограждающей конструкции.

Для определения сопротивления теплопередаче части ограждающей конструкции, равномерной по температуре поверхности, Ro, преобразователи температур и тепловых потоков устанавливают не менее чем в двух характерных сечениях с одинаковым проектным решением.

Для определения сопротивления теплопередачи термодатчики располагают в центре термически однородных зон фрагментов ограждающей конструкции (панелей, плит, блоков, монолитных и кирпичных частей зданий, дверей) и дополнительно в местах с теплопроводными включениями, в углах, в стыках.

Для измерения термического сопротивления отдельных слоев ограждающей конструкции чувствительные элементы термодатчиков монтируют в сечениях в толще фрагмента ограждающей конструкции при его изготовлении с шагом 50-70 мм и для многослойных конструкций дополнительно на границах слоев.

При наличии в ограждающих конструкциях вентилируемых прослоек чувствительные элементы термодатчиков устанавливают с шагом не менее 500 мм на поверхностях и в центре прослойки.

Преобразователи тепловых потоков закрепляют на внутренней и наружной поверхностях испытываемого ограждения не менее чем по два на каждой поверхности. Для измерения температур внутреннего воздуха чувствительные элементы термодатчиков устанавливают по вертикали в центре помещения на расстоянии 100, 250, 750 и 1500 мм от пола и 100 и 250 мм от потолка. Для помещений высотой более 5000 мм термодатчики по вертикали устанавливают дополнительно с шагом 1000 мм.

Для измерения температур внутреннего и наружного воздуха вблизи ограждающей конструкции термодатчики устанавливают на расстоянии 100 мм от внутренней поверхности каждой характерной зоны и на расстоянии 100 мм от наружной поверхности не менее чем двух характерных зон.

Чувствительные элементы термодатчиков плотно прикрепляют к поверхности испытываемой конструкции.

При использовании термопар допускается закреплять их на поверхности ограждающей конструкции с помощью клеящих составов: гипса или пластилина, толщина которых должна быть не более 2 мм. Степень черноты используемых клеящих материалов должна быть близка к степени черноты поверхности ограждающей конструкции.

При этом термометрический провод от места закрепления чувствительного элемента отводят по поверхности ограждающей конструкции в направлении изотерм или минимального градиента температур на длину не менее 50 диаметров провода. Сопротивление электрической изоляции между цепью термопреобразователя и наружной металлической арматурой должно быть не менее 20 МОм при температуре (25 10) С и относительной влажности воздуха от 30 до 80 %.

Свободные концы термопар помещают в термостат с температурой 0 С. Допускается использовать в качестве термостата сосуд Дьюара. При этом в нем должны быть одновременно пар, вода и лед дистиллированной воды.

Термопары подключают к вторичному измерительному прибору через промежуточный многоточечный переключатель.

Для измерения плотности теплового потока, проходящего через ограждающую конструкцию, на ее внутренней поверхности устанавливают по одному преобразователю теплового потока в каждой характерной зоне.

Для измерения разности давления воздуха концы шлангов от микроманометра располагают по обе стороны испытываемой конструкции на уровне 1000 мм от пола.

Гигрографы, гигрометры, аспирационные психрометры и термографы, предназначенные для контроля и регулирования температуры и относительной влажности воздуха, устанавливают в центре помещения или отсека климатической камеры, на высоте 1500 мм от пола.

При испытаниях в климатической камере после проверки готовности оборудования и измерительных средств теплый и холодный отсеки с помощью герметичных дверей изолируют от наружного воздуха. На регулирующей аппаратуре устанавливают заданные температуру и влажность воздуха в каждом отсеке и включают холодильное, нагревательное и воздухоувлажняющее оборудование камеры.

4.1.3 Описание приборной базы

1) Testo 830-T1

Пирометр Testo 830-T1 рисунок 4.1 предназначен для быстрого и точного дистанционного измерения температуры поверхности в диапазоне от -30 до +400 ° C в промышленном секторе и в быту. Прибор оснащен лазерным целеуказателем, соотношение пятна измерения к расстоянию составляет 10:1, имеется возможность установки минимальных и максимальных пороговых значений температуры, при превышении которых происходит визуальная и звуковая сигнализация. Высокое разрешение 0.1 0С и регулируемый коэффициент излучения позволяют получать очень точные результаты.



Рисунок 4.1 - Прибор Testo 830-T1

Особенности пирометра Testo 830-T1

- Диапазон измерений от -40 до 400 С.

- Оптическое соотношение пятна к расстоянию 10:1.

- Быстрая регистрация.

- Регулируемые пределы сигналов тревоги.

- Звуковая и визуальная сигнализация при превышении предельных значений.

- Легкое управление благодаря эргономичному пистолетному дизайну.

- Функция удержания данных с одновременным отображением текущего значения.

- Дисплей с подсветкой.

- Регулируемый коэффициент излучения (от 0,2 до 1,0).

- Лазерный целеуказатель.

Измеритель плотности теплового потока серии ИПП-2

Прибор ИПП-2 МК рисунок 4.2 предназначен для измерения плотности тепловых потоков по ГОСТ 25380-92, проходящих через однослойные и многослойные ограждающие конструкции зданий и сооружений, через облицовку и теплоизоляцию энергообъектов при экспериментальном исследовании и в условиях эксплуатации.



Рисунок 4.2 - Прибор ИПП-2 МК

Приборы серии ИПП-2 МК нашли широкое применение в строительстве, научных организациях и на различных объектах энергетики.

Принцип действия прибора основан на измерении перепада температур на «вспомогательной стенке». Величина температурного перепада пропорциональна плотности теплового потока. Измерение температурного перепада осуществляется с помощью ленточной термопары, расположенной внутри пластинки зонда, выступающей в роли «вспомогательной стенки».

В рабочем режиме прибором производится циклическое измерение выбранного параметра. Осуществляется переход между режимами измерения плотности теплового потока и температуры, а также индикации заряда аккумуляторов в процентах 0%…100%. При этом при переходе между режимами на индикаторе отображается соответствующая надпись выбранного режима. Прибор также может производить периодическую автоматическую запись измеренных значений в энергонезависимую память с привязкой ко времени. Включение/выключение записи статистики, настройка параметров записи, считывание накопленных данных осуществляется с помощью программного обеспечения, поставляемого по заказу.

Возможность установки порогов звуковой и световой сигнализации. Пороги - это верхняя или нижняя границы допустимого изменения соответствующей величины. При превышении верхнего порогового значения или снижении ниже нижнего порогового значения прибор обнаруживает это событие и на индикаторе загорается светодиод. При соответствующей настройке прибора нарушение порогов сопровождается звуковым сигналом.

Под настройкой порога подразумевается выбор вида порога: нижний или верхний, уровня сигнализации: предупреждение или тревога и собственно значение порога (параметр предупреждение/тревога выражается только в разной звуковой сигнализации нарушения порога).

Передача измеренных значений на компьютер по интерфейсу RS 232. Скорость обмена с компьютером может быть выбрана из следующих значений: 1200, 2400, 4800, 9600 в зависимости от удаления прибора от компьютера и качества линии связи.

Возможность попеременного подключения к одному прибору до восьми различных зондов теплового потока. Каждый зонд (датчик) имеет свой индивидуальный калибровочный коэффициент (коэффициент преобразования Kq) показывающий насколько напряжение с датчика изменяется относительно теплового потока. Данный коэффициент используется прибором для построения калибровочной характеристики зонда, по которой определяется текущее измеренное значение теплового потока.

2) ТермогигрометрTesto 625

Прибор рисунок 4.3 для измеренные значения относительной влажности и температуры (или температуры мокрого термометра и точки росы) индицируются одновременно на большом 2-х строчном дисплее. Прибор имеют функции удержания текущих, максимальных и минимальных показаний, сигнализации о разряде источника питания, а также функцию самоотключения прибора.

Рисунок 4.3 - Термогигрометр Testo 625

Компактный прибор со встроенным зондом влажности и температуры в комплекте. Большой двухстрочный дисплей отображает значения влажности, температуру воздуха, температуру мокрого термометра и точку росы. При измерении в труднодоступных местах зонд влажности легко отсоединяется и крепится к рукоятке с кабелем (опционально).

3) МИТ-1 Измеритель теплопроводности мобильный

Измеритель теплопроводности материалов МИТ-1 предназначен для оперативного определения теплопроводности широкого спектра строительных материалов зондовым методом (ГОСТ 30256-94) при технологическом и лабораторном контроле качества материалов, обследовании объектов с целью определения их теплозащитных свойств, а также для контроля теплопроводности различных композиционных материалов, утеплителей, природного камня. Область применения: предприятия, производящие строительные и теплоизоляционные материалы, строительные организации и лаборатории, проводящие обследование зданий, сооружений и конструкций.