Влияние нестационарных тепловых условий на определение термического сопротивления ограждения

Аннотация

Н.Н. Руденко, И.Н. Фурсова

Дата поступления статьи: 28.11.2013

Реконструкция зданий неизбежно влечет за собой повышение тепловой защиты помещений, однако разработка мероприятий по утеплению существующих строительных конструкций невозможна без оценки теплофизических характеристик  этих конструкций, в первую очередь сопротивления теплопередаче. Оценка материалов по их справочным характеристикам часто не представляется  возможным. Основными причинами является отсутствие сведений о строительных материалах внутренних слоёв давно возведенных зданий. Возникают ряд сложностей в проведении натурных обследований из-за практического отсутствия стационарных условий. Тепловой поток на поверхности не может изменяться одновременно с изменением температуры воздуха, так как ограждающие конструкции имеют тепловую инерцию и требуется некоторое время для изменения распределения температуры то толщине конструкции. Для определения фактического сопротивления теплопередачи ограждающих конструкций необходимо учитывать  динамику изменения температур и тепловых потоков на поверхности ограждения. При определении фактического сопротивления теплопередаче необходимо учитывать время распространения тепловой волны через ограждающую конструкцию.  

Ключевые слова: нестационарный тепловой режим, ограждающая конструкция, теплофизические характеристики, термическое сопротивление

05.23.03 - Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение

Реконструкция зданий неизбежно влечет за собой повышение тепловой защиты помещений [1,2], однако разработка мероприятий по утеплению существующих строительных конструкций невозможна без оценки теплофизических характеристик  этих конструкций, в первую очередь сопротивления теплопередаче.
Расчетное сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции определяется по формуле [3, 4]:
   (1)                                           
Оценка материалов по их справочным характеристикам часто не представляется  возможным. Основными причинами является отсутствие сведений о строительных материалах внутренних слоёв давно возведенных зданий.  
Для определения фактического термического сопротивления наружной ограждающей конструкции используется формула:
(2)

- температура на внутренней поверхности ограждающей конструкции, °С;
- температура на наружной поверхности ограждающей конструкции, °С;
q– тепловой поток на внутренней, Вт/м².
Возникают ряд сложностей в проведении натурных обследований из-за практического отсутствия стационарных условий. Как было показано [5,6] тепловой режим наружной ограждающей конструкции не находится в стационарном состоянии. Тепловой поток на поверхности не может изменяться одновременно с изменением температуры воздуха, так как ограждающие конструкции имеют тепловую инерцию и требуется некоторое время для изменения распределения температуры то толщине конструкции.
Для определения фактического сопротивления теплопередачи ограждающих конструкций необходимо учитывать  динамику изменения температур и тепловых потоков на поверхности ограждения.
На основе алгоритма расчета [7] с использованием метода конечных разностей был создан программный модуль, моделирующий нестационарный тепловой режим и позволяющий определить значения плотности теплового потока.
Для трех наружных ограждающих конструкций произведён расчет R_расч по методике изложенной в [8 ].

В качестве начального распределения температур по толщине ограждения было выбрано распределение соответствующее температуре наружного воздуха -5,7^оС и 18^оС температуре внутреннего воздуха. В последующие сутки с резким потеплением до среднесуточного значения температуры 2^оС. В расчете учитывалась амплитуда колебаний температуры наружного воздуха 6^оС.
По результатам расчета (рис. 1-3) видно, что значение R_расч определённое по значениям плотности теплового потока и разности температур поверхностей ограждения будет значительно отличаться  от R_o, испытывая колебания с некоторым периодом.

Рис. 1. Значения  R_oот R_расч при колебаниях температуры наружного воздуха для стены 1.

Рис. 2. Значения  R_oот R_расч при колебаниях температуры наружного воздуха для стены 2.

Рис. 3. Значения  R_oот R_расч при колебаниях температуры наружного воздуха для стены 3.

Целесообразно учитывать влияние нестационарного теплового режима при определении фактического сопротивления теплопередаче существующих строительных конструкций по плотности теплового потока и одновременному значению разности температур [9,10].
При определении фактического сопротивления теплопередаче необходимо учитывать время распространения тепловой волны через ограждающую конструкцию.  Это достигается учетом значительного временного интервала и  необходимо учитывать  частоту и период колебаний температур воздуха.

1. кладка из глиняного обыкновенного кирпича, Толщиной 0,65 м, коэффициент теплопроводности 0,56 Вт/м×°С, D=11,746, Ro=1,16 м2·°С/Вт.
2. пенобетон, толщина  кладки 0,250 м, коэффициент теплопроводности 0,08 Вт/м×°С, D=6,094, R_o=3,13 м2·°С/Вт.
3. сэндвич панель с мин. ватой, толщина  0,2 м коэффициент теплопроводности 0,044 Вт/м×°С, D=3,273, R₀=4,55 м2·С/Вт.

Литература:

1. Министерство энергетики российской федерации приказ от 19 апреля 2010 г. № 182 об утверждении требований к энергетическому паспорту, составленному по результатам обязательного энергетического обследования, и энергетическому паспорту, составленному на основании проектной документации, и правил направления копии энергетического паспорта, составленного по результатам обязательного энергетического обследования.
2. СП 23-101-2004 Свод правил по проектированию и строительству проектирование тепловой защиты зданий.
3. Богословский В.Н. Тепловой режим здания. — М.: Стройиздат, 1979. — 248 с.
4. Лукьянов В.И. Нестационарный массоперенос в строительных материалах и конструкциях при решении проблемы повышения защитных качеств ограждающих конструкций зданий с влажным и мокрым режимом: Автореф. дис. докт. техн. наук. — М., 1993. – 24 с.
5. Фурсова И.Н., Капралов А.А. Алгоритм исследования плотности теплового потока через ограждение при нестационарных тепловых условиях. Материалы Международной научно-практической конференции «Строительство-2013». - Ростов н/Д: РГСУ, 2013. – 87-88 с.
6. Руденко Н.Н., Фурсова И.Н. Моделирование температурного поля в грунте. [Электронный ресурс]  // «Инженерный вестник Дона», 2013, № 2 (часть 1). – Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n2y2013/1697 (доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. рус.
7. Руденко Н.Н., Волошановская И.Н. Влияние массивности на максимальный тепловой поток. Материалы Международной научно-практической конференции «Строительство-2001».-Ростов н/Д: РГСУ, 2001. – 84-87 с.
8. Фурсова И.Н., Терезников Ю.А. Исследование влияния температуры внутреннего воздуха на распределение температуры  поверхности тёплого пола [Электронный ресурс]  // «Инженерный вестник Дона», 2013, № 2 (часть 2).   – Режим доступа:  http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n2y2013/1700 (доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. рус.
9. 124. DIN 4108: Warmeschutz in Hochbau. — 1995. – 54 p.
10. Kiefil K. Kapillarer und dampfformiger Feuchtetransport in mehrschichti-gen Bauteilen: Dissertation Universitat-Gesamthochschule Essen, 1983. – 28 p.