Исследование динамики процессов теплопереноса через ограждающие конструкции

В последние годы в России принят ряд директивных документов, которые значительно ужесточают нормативные требования к теплопотерям в зданиях различного назначения, как вновь проектируемых и строящихся, так и реконструируемых.

В связи с проведением энергосберегающих мероприятий в строительстве выполняется переход к эффективным ограждающим конструкциям, отвечающим по теплотехническим характеристикам требованиям современных норм [70,81].

Повышение нормативных требований к показателям теплозащиты ограждающих конструкций зданий [70] вызывает перестройку всего строительного комплекса страны. Новые нормы фактически запретили проектирование традиционных для России конструкций однослойных стен из кирпича, керамзитобетона, дерева и других хорошо зарекомендовавших себя материалов. Практически невозможно осуществлять строительство без использования эффективных утеплителей (минераловатных плит, пенополистирола и т. д.).

Принятые в России в 1995;1998 г. г. дополнения № 3 и № 4 к СНиП II-3−79*, а также СНиП 2.04.05−91* с изм. № 2 и СНиП 2.08.01−89* жестко ограничивают проектировщика. Вследствие этого энергопотребление строящихся в нашей стране жилых зданий превышает этот же показатель перспективного жилья за рубежом в 10−20 раз, что видно из табл. 1−3.

Учитывая, что в Российской Федерации общая площадь жилых зданий составляет более 2,6 млрд. м и на их отопление ежегодно требуется не менее 200 млн. т. условного топлива [49], снижение удельных энергозатрат в новом жилье до уровня перспективного жилья Швеции и Канады даст существенное пополнение всем бюджетам России и позволит реализовать другие социальные программы, например реконструкцию существующего жилищного фонда.

Таблица 1.

Энергопотребление жилых домов за рубежом.

Страна Удельные средние затраты энергии на отопление всего жилья, кВт-ч/м2тод Теплопотребление нового и перспективного жилья, кВт-ч/м2тод.

ФРГ 260 30−70.

Швеция, Финляндия 135 30−35.

Канада 170 30−70.

США 30−70 15−30.

Польша 120−160 80−150.

Таблица 2.

Средняя за отопительный период расчетная структура теплопотерь в 10-ти этажном доме в разных климатических районах России (на примере 85-й серии).

Расчетные данные Квартира может быть построена в городах.

Сочи Верхоянске Перми.

На 9-м этаже, в центре здания На 1-м этаже, в торце здания по изм. № 3 и № 4 к СНиП II-3−79*, II этап до 1996 г. по изм. № 3 и № 4 к СНиП II-3−79*, II этап.

Кратность воздухообмена, средняя за отопительный период 1,41 2,57 1,95 3,57.

Теплопотери квартиры, %: — через инфильтрацию воздуха — через ограждающие конструкции — суммарные 61,4 38,6 100 88,5 11,5 100 80 20 100 62,5 37,5 100 82,5 17,5 100.

Удельное энергопотребление на отопление и вентиляцию квартиры (без учета дополнительных теплопоступлений), кВт’ч/м2,отопит.период 152,6 641,2 314,7 403 559,2 0.

Таблица 3.

Изменения в структуре энергопотребления на отопление и вентиляцию квартиры в 10-ти этажном доме на разных стадиях ее рекрнструкции (Пермь, на примере 85-й серии).

Расчетные данные Квартира расположена на 1-м этаже, в центре здания с с с кондиционированием естественной вентиляцией принудительной вентиляцией и теплообменником воздуха (тепловым насосом).

Построена.

ДО 1996 с ограждениями по изм. № 3 и № 4 к СНиП И-Зс ограждающими конструкциями по расчету с г. 79*, II этап учетом нормативных энергозатрат.

Термическое 0,35 0,617 0,617 1,5 сопротивление Л окон, м • С/Вт.

Кратность воздухообмена 3,9 3,9 0,35 0,35.

Удельные 717 598,8 148 70 энергозатраты на отопление и вентиляцию (без учета дополнительных теплопоступлений), кВт*ч/м2,отопит. период.

Экономия энергии, — 16,6 79,4 90,2.

Усредненное 6,35 термическое сопротивление ограждающих конструкции, м2-°С/Вт.

При этом следует иметь в виду, что любое энергосберегающее мероприятие должно снижать потребление энергии и быть экономически выгодным.

Экономическая целесообразность энергосберегающего мероприятия прежде всего зависит от стоимости сохраненной энергии, количество которой в свою очередь подтверждается соответствующим расчетом.

Расчет теплопотерь через ограждающие конструкции в настоящее время [81] выполняется только при необходимости особо точного вычисления тепловых нагрузок помещений здания. Тепловые нагрузки по укрупненным показателям определяют по формуле [2]:

Q = aVq (tB-tH) (1) где Q — отопительная тепловая нагрузка здания, Вт- (X — поправочный коэффициентq — удельная отопительная тепловая характеристика здания, Вт/(м3К) — V — объем здания по наружному обмеру, м3- tB, tHсоответственно расчетные температуры воздуха в помещении и наружного воздуха, К.

Если при энергосберегающем мероприятии улучшаются теплотехнические характеристики ограждающих конструкций, то оценить эти изменения экономически с помощью уравнения (1) не представляется возможным, так как в уравнении отсутствуют термические сопротивления и сопротивления воздухопроницанию ограждений.

Для решения указанной проблемы предлагается использовать совместно элементы точного расчета и укрупненных показателей. Теплопотери Qi через ограждающие конструкции здания рассчитываются в этом случае по формуле: й = (Щщ + k2F2n2 + k3F3n3 + k4F4n4){te — tH (2) где к{, k2i к3у к4 — коэффициенты теплопередачи наружных стен, окон и балконных дверей, чердачных перекрытий, перекрытий над подвалами, Вт/(м2К) — Flt F2i F3 f F4 — соответственно площади наружных стен, окон и балконных дверей, чердачных перекрытий, перекрытий над подвалами, м — Щ i п2, Щ, пА — коэффициенты, принимаемые в зависимости от положения по отношению к наружному воздуху наружных стен, окон и балконных дверей, чердачных перекрытий, перекрытий над подвалами.

К сожалению рекомендованный в [82] подход, а также новая редакция СНиП «Строительная теплотехника» позволяет определять тепловые потери ограждающих конструкций только для стационарных тепловых режимов на основе средних температур отопительного периода.

В действительности же, вследствие изменения температуры наружного воздуха тепловые потери через ограждающие конструкции зависят от времени, и эта особенность процесса теплообмена должна быть учтена при анализе работы многослойных стен в зимнее время.

Таким образом, учитывая, что реальные процессы теплопереноса в ограждающих многослойных конструкциях при меняющейся во времени температуре наружного воздуха изучены недостаточно, была поставлена задача провести теоретические и экспериментальные исследования теплопереноса в современных составных стенах в этих условиях.

Целью настоящей работы является изучение и анализ нестационарных тепловых процессов в многослойных ограждающих конструкциях для зимних условий их работы.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. Разработана методика расчета нестационарных процессов теплопереноса в составных структурах для наиболее характерных режимов их работы.

2. Получены новые результаты, показывающие влияние контактных термических сопротивлений между слоями на процесс нестационарного теплопереноса в многослойных конструкциях.

3. Установлено, что наличие утеплителя в многослойной стенке не только оказывает заметное воздействие на динамику процесса переноса, но и приводит к качественному изменению зависимости тепловых потерь от месторасположения теплоизоляционного слоя в составных ограждающих конструкциях.

4. Для некоторых типичных ограждающих конструкций опытным путем показаны закономерности тепловых режимов при резком снижении температуры наружного воздуха.

Полученные в работе результаты позволяют проследить динамику изменения температур и тепловых потоков в многослойных ограждающих конструкциях для зимних условий.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и приложений.

1. М. Идентификация процессов теплообмена летательных аппаратов. — М.: Машиностроение, 1979. — 216 с.

2. Апарцев М. М. Наладка водяных систем централизованного теплоснабжения. М.: Энергоатомиздат, 1983.

3. Аринцев Е. Н. Определение толщины ограждающей конструкции в соответствии с требованиями СНиП П-З-79*//Известия РГСУ 2001, № 6, С 101−105.

4. Беляев Н. М. Рядно А. А. Методы нестационарной теплопроводности. — М.: Высшая школа, 1978. — 328 с.

5. Броькин Л. А., Гузов Л. А. К выбору эффективных теплофизических параметров слоистого полуограниченного массива. В сб.: Теплообмен и гидродинамика. Красноярск, 1983, с.9−14.

6. Ваничев А. П. Приближенный метод решения задач теплопроводности при переменных константах. Изв. АН СССР, ОТН,№ 12,1946.

7. Видин Ю. В. Инженерные методы расчета процессов тепло — переноса. — Красноярск: Изд-во Краснояр, политехн. ин-та, 1974. — 144 с.

8. Видин Ю. В. Исследование теплопроводности многослойных тел при нелинейных граничных условиях: Автореф. дис. …д-ра техн.наук. — М, 1970. — 43 с.

9. Видин Ю. В. Нестационарное температурное поле многослойной пластины, нагреваемой конвекцией и радиацией одновременно //Изв.вузов. Сер. Авиационная техника, 1970, -№ 3.-С.156−160.

10. Видин Ю. В. Температурное поле массивной многослойной no пластины, нагреваемой конвекцией и радиацией одновременно// Изв. АН СССР. Сер. Энергетика и транспорт, 1976.-№ 1.-С.181−184.

11. Видин Ю. В., Иванов В. В. Расчет несимметричного нагрева неограниченной пластины под действием радиации //Изв.вузов. Сер. Черная металлургия, 1964. — № 12. — 144−147.

12. Видин Ю. В., Иванов В. В. Расчет прогрева неограниченного цилиндра лучистым теплом //Изв.вузов. Сер. энергетика, 1965. -№ 2.-С.104−106.

13. Видин Ю. В., Иванов В. В. Расчет температурных полей в твердых 1 елах, нагреваемых конвекцией и радиацией одновременно. — Красноярск: Изд-во Краснояр. политехн, ин-та, 1965.-144 с.

14. Видин Ю. В. Иванов В.В. О температурном поле в твердых телах при одновременном нагреве радиацией и конвекцией// Изв.вузов. Сер. Черная металлургия, 1967. — № 5. — 140−146.

15. Вольницкая Е. П. Расчет температурных полей в слоистых телах. // Изв. ВУЗов, Энергетика, 1985, № 6, с.81−85.

16. Вольницкая Е. П. Расчет температурных полей в слоистых телах//Изв.вузов. Сер. Энергетика, 1985. — № 6. — 81−85.

17. Гладышев Ю. А. Краевые задачи теплопроводности в многослойной среде// Первая Российская национальная конференция по теплообмену. X. (Часть 1). М., 1994. с. 59−62.

18. Гладышев Ю. А. Обобщение теоремы о прямой для процесса теплопроводности в многослойной пластине// Вторая Российская национальная конференция по теплообмену: Теплопроводность, теплоизоляция. — М., 1998. Т.7. с. 51−52.

19. Гузов Л. А. Нестационарная теплопроводность в многослойной I l l пластине //Изв.вузов. Сер. Энергетика, 1979. — № П. — 65−69.

20. Дацев А. Б. О теплопроводности неоднородного стержня. ДАН СССР. 1952, TIXXXII, № 6, Математическая Физика, с.861−864.

21. Дацев А. Б. Об общей линейной задаче теплопроводности многослойной среды. Изв. АН СССР, Серия географическая: I960, Т XIV № 2, 113−127.

22. Дацев А. Б. Об охлаждении стержня, составленного из конечного числа однородных частей. ДАН СССР, Физика, 1947, TIVI,№ 4, с.355−358.

23. Дубович М. И. Метод решения задач теплопроводности для простых многослойных тел //Инж.-физ.журн., 1967. — Вып. 12, № 6. — 750−757.

24. Дульнев Г. Н., Сигалов А. В. Температуропроводность неоднородных систем. Расчет температурных полей //Инж.-физ.журн., I960. Т.ХХПХ. — 1. — C. I26-I34.

25. Дульнев Г. Н., Сигалов А. В. Температуропроводность неоднородных систем. Экспериментальное определение температуропроводности //Инж.-физ.журн. 1980. — Вып.43, I. — 84−90.

26. Жук И. П. К расчету температурного поля в многослойной стенке//Инж.-физ.журн., 1962.-Вып. 6, № 10. — 100−103.

27. Зарубин B.C. Инженерные методы решения задач теплопроводности. — М.: Энергоатомиздат, 1983. — 328 с.

28. Зарубин B.C. Температурные поля в конструкциях летательны-.с аппаратов. — М.: Машиностроение, 1978. — 184 с.

29. Зоколей СВ. Архитектурное проектирование, эксплуатация объектов, их связь с окружающей средой. — М.:Стройиздат, 1984.-670 с.

30. Иванов В. В. Исследование переноса тепла в условиях нелинейной теплопроводности: Автореф. дис. …д-ра техн.наук. -Минск, 1968.-44 с.

31. Иванов В. В. Исследование процессов переноса при нелинейных граничных условиях //Теплофизика высоких температур, 1973. — Вып.П. № I. — 128−132.

32. Иванов В. В. Метод линеаризующих функций. Оценка погрешности и области применения// Физика и химия обработки материалов, 1973. — № 3. — 34−36.

33. Иванов В. В. Нагревание излучением цилиндрических и сферических оболочек //Изв. АН СССР. Сер. Энергетика и транспорт. 1968. — № 5. — C. I40-I42.

34. Иванов В. В. Расчет радиационного охлаждения тепловыделяющих элементов //Инж.-физ.журн., 1966. — Вып. П, № 4. -С.542−544.

35. Иванов В. В. Теплопроводность твердых тел, прогреваемых конвекцией и радиацией одновременно //Изв.вузов. Сер. Энергетика, 1967. — № 5. — C. I44-I47.

36. Иванов В. В., Видин Ю. В. Расчет охлаждения лучей спускающей пластины//Изв.вузов. Сер. Черная металлургия, 1965.-№ 3,-С.199−200.

37. Иванов В. В, Видин Ю. В. Расчет температурных полей в прямоугольных телах, нагреваемых одновременно излучением и конвекцией // Исследования по теплопроводности. — Минск: Изд. АН БССР. 1967. — 496−503.

38. Иванов В. В., Видин Ю. В. Температурное поле в длинном цилиндре, нагреваемом конвекцией и радиацией одновременно// Изв.вузов. Сер. Черная металлургия, 1965. — № 12.-С.140−142.

39. Иванов В. В., Видин Ю. В. Температурное поле в параллелепипеде, прогреваемом лучистым потоком //Изв.вузов. Сер. Черная металлуршя, 1965. -№ 5. — 180−182.

40. Иванов В. В., Видин Ю. В., Колесник В. А. Процессы прогрева многослойных тел лучисто-конвективным теплом. — Ростов н/Д:РГУ, 1990. 159 с.

41. Иванов В. В., Дурман А. В. Расчет прогрева тел радиацией с учетом изменения теплофизических характеристик от температуры // Изв.вузов. Сер. Черная металлуршя, 1967. — № 2.

42. Иванов В. В., Карасева Л. В., Станкова Н. А, Сахно И. В. Температурные режимы ограждающих конструкций в летнее время. Оценка теплоустойчивости//Жилищное строительство № 5 2003 г.

43. Иванов В. В., Карасева Л. В., Тихомиров А. Нестационарный теплоперенос в многослойных строительных конструкциях//Изв. вузов. Строительство, 2001, № 9−10.-С.7−10.

44. Иванов В. В., Кореньков А. И. Решение задач тепломассобмена при нелинейных граничных условиях //Изв. СКНЦ ВШ. Сер. технические науки, 1982. — № 2. — 21−25.

45. Иванов В. В., Маоми Г. К., Тужиков А. И. Прогрев многослойных строительных конструкций лучисто-конвективным теплом// Изв.вузов. Строительство и архитектура, 1966. — № 2. — 91- 96.

46. Иванов В. В., Саломатов В. В., Чехович В. Ю. О квазистационарном режиме при радиационно-конвективном нагреве тел // Изв. АН СССР. Сер. Энергетика и транспорт, 1967. — № 1.-С.127−129.

47. Иванов В. В., Фурман А. В. Исследование прогрева твердых тел конвективным и лучистым потоками // Изв. АН СССР. Сер. Энергетика и транспорт, 1966. — № I. — 131−134.

48. Иванов В. В., Фурман А. В. Теплопроводность твердых тел прогреваемых радиацией// Теплофизика высоких температур, 1967. — Вып. 5, № 2. — 82−84.

49. Иванов Г. С. Нормированию теплозащиты — здравый смысл и научную основу// Проблемы строительной теплофизики и энергосбережения в зданиях: Сб. докл. Т.2. М.: НИИСФ, 1997.

50. Камья Ф. М. Импульсная теория теплопроводности. — М.: Энергия, 1972. — 272 с.

51. Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел. — М.: Наука, 1964,487 с.

52. Карслоу Г. С, Егер Д. К. Теплопроводность твердых тел. М.: Наука. 1964. — 487 с.

53. Карташов Э. М. Аналитические методы в теории теплопроводности твердых тел. — М.: Высшая школа, 1985. -480 с.

54. Ковнер С. Математическая теория теплового режима в п — слойной пластине при излучении на границе по закону Ньютона// Изв. АН СССР, Серия географическая и физическая, 1937, № 3 .

55. Коган М. Г. Нестационарная теплопроводность в слоистых средах//Курс.техн.физики, 1957. — Вып.82, № 6. — 861−864.

56. Коган М. Г. Нестационарная теплопроводность в слоистых телах. Ж.Т.Ф. T. XXVII В. З, 1953, с.522−531.

57. Коздоба Л. А. Методы решения нелинейных задач теплопроводности, — М.: Наука, 1975. — 228 с.

58. Коляно Ю. М., Гирняк О. Ф. Условия неидеального теплового контакта пластин при нестационарном тепловом режиме //Инж.физ.журн., 1977. — Т.32. № I. — 147−150.

59. Кудинов В. А. Способ построения координатных систем при решении задач нестационарной теплопроводности для многослойной пластины.// Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. 1986. № 5. с. 150−254.

60. Кяар Х. А., Варес В. А. Расчет эффективного коэффициента температуропроводности гетерогенного слоистого материала// Инж.-физ.журн., 1962. — №.43. Т I. — 84−90.

61. Лыков А. В. Теория теплопроводности. — М.: Высшая школа. 1967.-600 с.

62. Лыков А. В., Михайлов Ю. А. Теория теплои массопереноса. — М.: Госэнергоиздат, 1963. — 536 с.

63. Майерс Е. Г. Критическая величина по времени, используемого при решении двухмерных нестационарных задач теплопроводности методом конечных элементов. Теплопередача, 1978. Т. ЮО, № I. с.130−139.

64. Маоми Г. К, Динамика переноса тепла в многослойных телах при нагреве радиацией и конвекцией одновременно: Автореф. с. …канд.техн.наук. — Киев, 1967. — 17 с.

65. Маоми Г. К., Иванов В. В., Тужиков А. И. Влияние термического контактного сопротивления на динамику радиационно-конвективного прогрева составного цилиндра // Изв.вузов. Сер Черная металлургия, 1986. — № 6. — 130−133.

66. МГСН 2.01 -99. Энергосбережение в зданиях.

67. Меерович И. Г. Температурное поле в многослойных системах с переменными теплофизическими свойствами //Инж.-физ. журн., 1967. — Вм.12. № 4. — 484−490.

68. Министерство строительства Российской Федерации. Постановление «О принятии изменения № 3 строительных норм и правил СНиП П-3−79 „Строительная теплотехника“».

69. Михайлов В. В. Оптимизация многослойной теплоизоляции// ИФХС 1980. Т. 39. № 2. с. 268−291.

70. Ненарокомов А. В. Проектирование системы многослойной изоляции минимальной массы// ТВТ. 1997. Т 35 № 6. с. 909−916.

71. Никитенко Н. И. Теория теплои массопереноса. — Киев: Наукова думка, 1983. — 349 с.

72. Подстригач Я. С., Ломакин В. А., Коляно Ю. М. Теплоупругость тел неоднородной структуры. — М.: Наука, 1964.— 366 с.

73. Постольник Ю. С. Приближенные методы исследований в термомеханике. — Киев: Вища школа, 1984. — 158 с.

74. Рвачев В. Л., Слесаренко А. П. Алгебра логики и интегральные преобразования в краевых задачах. — Киев: Наукова думка. 1976.-288 с.

75. Рвачев В. Л., Слесаренко А. П. Алгебро-логические и проекционные методы в задачах теплообмена. — Киев: Наукова думка, 1978. — 139 с.

76. Сасек Ж., Хедж. Нестационарная теплопроводность в пластине с зависящим от температуры коэффициентом теплопроводности. Теплопередача. 1978. Т. 100, Г I, с. 186−189.

77. СНиП II-3−79*. «Строительная теплотехника». М., 1998.

78. СНиП П-3−79*. Строительная теплотехника/Минстрой России. -М.:ГПЦПП, 1996.-29 с.

79. Степин В. А. Определение тепловых нагрузок в зданиях по укрупненным показателям при оценке энергоэффективности ограждений// Промышленное и гражданское строительство. № 6 2000.

80. Табунщиков Ю. А., Бродач М. М. Математическое моделирование и оптимизация тепловой эффективности зданий. — М.:АВОК-ПРЕСС, 2002. — 194 с.

81. Темкин А. Г. Нестационарная теплопроводность в слоистых телах. Ж.Т.Ф., 1962, Т.5, № 10, с. 104−107.

82. Тепломассоперенос и термоупругость в многослойных конструкциях/ В. А. Кудинов, В. В. Калашников, Э. М. Карташов, Н. И. Лаптев, К. Сергеев. М.: Энергоатомиздат. 1997.420 с.

83. Федоткин И. М., Айзен A.M. Асимптотические методы в задачах тепломассопереноса. — Киев: Вища школа, 1975. — 198.

84. Христоченко П. И. Об одном способе решения задач теплопроводности двухи трехслойных систем //Теплофизика высоких температур, 1965. — Вып. З, № 2. — 272−275.

85. Цой П. В. Методы расчета задач тепломассопереноса. — М.: Энергоатомиздат, 1984. — 415 с.

86. Черпаков П. В., Щимко Н.Г.О регулярном тепловом режиме в многослойной среде // Инж.-физ.журн., 1965. — Вып.8, № 1. -С.72−78.

87. Шашков А. Г. Системно-структурный анализ процесса теплообмена и его применение. — М.: Энергоатомиздат, 1983. -280 с.

88. Яламанчили, Чжу. Устойчивость и колебательные характеристики методов конечных элементов, конечных разностей и взвешенных невязок для неустановившихся двухмерных процессов теплопроводности в твердых телах. Теплопередача, 1973,№ 2,с.95—100.

89. Keramidas G.A., Edward Ting. Variational formulations for heat conduction problems. J.App.Phys., 1979, v.50,N2,p.673−677.

90. Sakai Y. Linear conduction of heat through a serie of connected rods. The science report of the Tohoku Imprial University, v. 11, N5, 1922, p.p.351−358.

91. Thatcher E.P.Entropy production and thermoelectric device performance. ASME. J. of heat transfer. 1984, v. l05, p.p.881−885.

92. Vodicka V. Eindimensionale Warmeleitung in geachichen Korpem // Math. Nachr., 1955. — T.14. — N 1. — p.47−55.

93. Vodicka V. Heat waves in multilayer cilindrical bodies. AppL Seres., 1955, Section A, v.5, p.p. 115−120.

94. Wood W.L., Lewis R.W. A comparison of times marching schemes for the transient heat conduction equation. Int, J. for Numerical methods in engeneering, v.9,1975, № 3, p.p. 679−689.