ВЛИЯНИЕ ТЕПЛОПРОВОДНЫХ ВКЛЮЧЕНИЙ НА СВОЙСТВА ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ
Аннотация и ключевые слова
Аннотация (русский):
Предложен расчет приведенного сопротивления теплопередаче наружной стеновой панели. Сопоставлен теоретический вариант вычисления с практическим. На примере наружной стеновой панели (ПНС) показана схема расчета двухмерными и трехмерными тепловыми полями. Учтено влияние теплопроводных включений. На основе анализа, выведена эффективность использования расчета сопротивления в пространстве.

Ключевые слова:
энергоэффективность, тепловые поля, приведенное сопротивление теплопередаче, теплопроводные включения, тепловой мост, тепловизионный снимок
Текст
Текст произведения (PDF): Читать Скачать

Одним из важнейших этапов проектирования здания является обеспечение соблюдения требований энергетической эффективности. Создание надежной тепловой защиты обеспечит низкое потребление тепловой энергии на отопление зданий, что в свою очередь позволит сэкономить энергетические ресурсы.

После введения  СП 50.13330.2012 «Актуализированная редакция СНиП 23-02 – 2003 «Тепловая защита зданий», ужесточились требования, предъявляемые к энергетической эффективности зданий и сооружений. Также изменения коснулись и расчета приведённого сопротивления теплопередаче. В расчете употребляется метод с использованием температурных полей, содержащих плоские, линейные и точечные элементы.

Рассмотрим на примере наружной стеновой панели (ПНС).

 

Рис. 1. Панель наружная стеновая

 

 

При моделировании тепловой защиты здания особое внимание уделяется наличию тепловых мостов. Тепловой мост – участок наружной ограждающей конструкции с низким термическим сопротивлением, пронизывающий часть ограждающей оболочки с утеплителем [1–4]. Создание двухмерной модели теплового поля покажет плотность теплового потока именно в том сечении, которое принимается в расчет. Но никак не затрагивает влияние теплопроводных включений, находящихся в непосредственной близости от этого сечения. Более подробное действие элементов конструкции с высокой теплопроводностью рассмотрим на примере.

Конструкция представлена в виде модели шириной и высотой 1 м, толщиной 300 мм. В середине участка расположена  керамзитобетонная шпонка, которая выполняет функцию жесткой связи между слоями. Конструкция и количество соединений элементов наружных стен рассчитываются на восприятие усилий растяжения и сдвига, возникающих в швах между панелями, а также с элементами перекрытий или каркаса.  Шпоночное соединение является необходимым конструктивным элементом и обеспечивает сейсмоустойчивость панели до 8 баллов по шкале МSК-64. Пронизывая конструкцию насквозь, шпонка является участком, состоящим из сплошного бетона. В расчете приведённого сопротивления теплопередаче, при подготовке проектной документации, наличие подобных элементов не учитывается.

 

- керамзитобетон

 

- керамзитобетонная шпонка

- пенополистирол

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2. Участок наружной стеновой панели с теплопроводным включением

 

 

Заданы следующие параметры конструкции и среды: внутренний слой –  керамзитобетон (ρ0=1800 кг/м3; λа=0,80 Вт/(м2·°С) –120 мм; пенополистирол  (ρ0=38 кг/м3; λа=0,040 Вт/(м2·°С) - 120 мм; наружный слой - керамзитобетон (ρ0=1800 кг/м3; λа=0,80 Вт/(м2·°С) – 60 мм;  температура внутреннего воздуха +20 °С;  наружного воздуха –19 °С.

При изучении процесса действия керамзитобетонной шпонки на теплозащитные свойства конструкции сделан вывод о неравномерности распространения теплового потока (рис. 3).

На рис. 3,а  показано равномерное распространение тепловых полей в конструкции. Поток движется от внутреннего теплого участка (справа) к наружному холодному (слева), проходя теплоизоляционный слой из пенолистирола. В этом случае, плотность теплового потока равна Q1=11,158 Вт/м2. При расчете приведённого сопротивления теплопередачи [5], применяется формула:

R=TQ  ;                                      (1)

где ∆Tразность температур по краям конструкционного элемента, °СQвеличина плотность теплового потока проходящего сквозь него, Вт/м2.

R1=TQ=3911,158=3,495 м2·°С/Вт 

На рис. 3,б наблюдается искривление изотерм в месте нахождения шпонки (толщина 50 мм).

R2=3917,146=2,275 м2·°С/Вт 

На  рис. 3,в тепловой поток направлен наружу с еще большей мощностью, так как физические размеры керамзитобетонной шпонки больше. Ее высота составляет 150 мм. В итоге, приведенное сопротивление теплопередаче, на разрезе по вертикальной оси и виде спереди R3=1,59 м2·°С/Вт.

R3=3924,411=1,59 м2·°С/Вт 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а) Вид сверху.

Q1=11,158 Вт/м2

б) Разрез по горизонтальной оси, через шпонку.

Вид сверху.

Q2=17,146 Вт/м2

в) Разрез по вертикальной оси, через шпонку. Вид спереди.

Q3=24,411 Вт/м2

 

Рис. 3. Распределение температур по трем разным сечениям конструкции

 

 

Расчет проводился при помощи программного комплекса HEAT2 - это компьютерная программа для двухмерного моделирования стационарного и нестационарного процессов теплопередачи.

Таким образом,  сопротивление теплопередаче существенно изменяется в различных сечениях участка, и невозможно с высокой точностью оценить параметр в двухмерной тепловой модели [6], так как размеры теплопроводных включений (тепловых мостов) всегда различны. Для точного определения сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции, включая тепловые мосты, однородные участки, стеклопакеты, вентиляционные отверстия и т.д., необходимо использовать теоретическую модель трехмерного теплового поля [2].

 

- стеклопакет

- керамзитобетон

- пенополистирол

 

 

Рис. 5. Базовая модель наружной стеновой панели

 

При вводе аналогичных параметров (характеристики материалов, температуры окружающей среды) в программу для моделирования трехмерного температурного поля HEAT3 для той же конструкции, получены данные величины плотности теплового потока, проходящего через всю конструкцию Q=17,348 Вт/м2. Соответственно, приведенное сопротивление теплопередачи всего участка, согласно комплексному расчету Rпр=2,248 м2·°С/Вт. Было учтено влияние действия керамзитобетонной шпонки, установленной посередине конструкции. Напомним, при отсутствии шпонки, величины плотности теплового потока и сопротивлению теплопередачи, соответственно равны Q1=11,158 Вт/м2 и R1=3,495 м2·°С/Вт. На рис. 5 показана трехмерная базовая модель ПНС  с соответствующим проекту стеклопакетом перед расчетом. Размеры панели 3500×2895 мм. параметры конструкции и среды соответствуют приведенным выше.

 

                               

б) ПНС

Вид сзади

а) ПНС

Вид спереди

 

 

 

 

Рис. 6. Результаты компьютерного моделирования температурного поля в трехмерном приближении наружной стеновой панели: а – вид спереди; б – вид сзади

 

 

На рис. 6 более светлые участки показывают площадки с высокой мощностью потока. Именно в этих местах потеря теплоты наиболее выражена. Расчет был произведен с помощью программного комплекса HEAT 3, и выведено значение плотности теплового потока Q=21,081 Вт/м2, соответственно приведенное сопротивление  теплопередачи Rпр=1,85 м2·°С/Вт. На практике [7] произведена тепловизионная съемка, замеры плотности теплового потока, температур на внутренней и наружной поверхностях аналогичной стеновой панели в отопительный период, чтобы сопоставить теоретические показатели с реальными, полученными при натурных испытаниях.

На рис. 7 показаны три этажа жилого дома. Тепловизионная съемка производилась ночью, чтобы исключить прямой или отраженный солнечный свет. Температура воздуха снаружи -2°С, температура воздуха внутри помещения +22°С. Точкой «С» отмечен участок на поверхности наружной стеновой панели с однородным наполнением (керамзитобетон-утеплитель-керамзитобетон). Точками «А» и «В» показана температура на участке с теплопроводным включением (на шпонке). Разница температур между точками «А», «В» и точкой «С» составляет 2,6°С и 4°С соответственно.

Красным цветом отмечены участки с высокими теплопотерями, которые возникают в местах слабой теплоизоляции. На первом этаже отмечена область «1» в обрамлении оконного блока, в местах стыка панелей между собой, а также в местах устройства железобетонных шпонок, где выявлена потеря теплового потока. Сравнивая с участком «2», отмеченным на панели с однородным составом конструкции, обнаружена разница температур от 2,1°С до 3,7°С.

Тепловизионный контроль качества теплоизоляции ограждающих конструкций проводился в натурных условиях в период с 23.02.2012г. (обзорное крупномасштабное термографирование с целью определения реперных участков для расстановки самописцев) по 27.02.2012г. (детальное и обзорное термографирование и снятие показаний с самописцев).

Погодные условия удовлетворяли требованиям проведения тепловизионного контроля согласно ГОСТ Р 54852-2011 и методики диагностики и энергетических обследований наружных ограждающих конструкций тепловизионным бесконтактным методом. Контактные измерения проводились в трех реперных зонах.

На основании данных обзорного крупномасштабного термографирования согласно ГОСТ Р 54852-2011, также были выбраны базовые участки на поверхности наружных ограждающих конструкций здания. Использовался измеритель плотности тепловых потоков ИТП-МГ4.03/X(Y) "Поток". На основании полученных данных, было высчитано приведенное сопротивления  теплопередаче панели Rпр=1,77 м2·°С/Вт.

Обработка тепловизионных снимков выполнялась в программном комплексе GORATEC Thermography Studio.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 7. Тепловизионный снимок существующей панели

 

 

Выводы

Обязательной мерой обеспечения жесткости панели является использование шпоночных соединений между внутренним и наружным слоями конструкции. [1, 2] На стадии проектирования здания, расчет термического сопротивления производился по участку с наилучшими теплозащитными характеристиками (керамзитобетон-утеплитель-керамзитобетон), что не гарантирует корректных результатов [8-10]. Компьютерное моделирование температурного поля в трехмерном приближении обеспечивает показатель сопротивления теплопередачи с погрешностью до 5 %.

Список литературы

1. Шеина С.Г., Миненко А.Н. Анализ и расчет «мостиков холода» с целью повышения энергетической эффективности жилых зданий // Инженерный вестник Дона. 2012. № 4–1(22).С. 131.

2. Боронбаев Э.К. Энергосберегающая архитектура и тепловые мосты в ограждениях здания // Вестник Кыргызского государственного университета строительства, транспорта и архитектуры. 2013. № 4(42). С.130–136.

3. Егорова Т.С., Черкас В.Е. Повышение энергоэффективности зданий благодаря устранению критических мостиков холода и непрерывной изоляции выступающих строительных конструкций // Вестник МГСУ. 2011. № 3–1. С. 421–428.

4. Чертищев В.В., Чертищев В.В. Расчет полей температур и тепловых потоков в неподвижной среде методом конечных элементов // Известия Алтайского государственного университета. 2011. № 1–2. С.176–180.

5. Бородин А.И., Чапанов З.Б. Учет влияния влажности среды при расчете термического сопротивления ограждающей конструкции // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2009. № 7. С.40–43.

6. Луговой А.Н. Повышение энергоэффективности ограждающих конструкций // Строительные материалы. 2011. № 3. С. 32–33.

7. Опарина Л.А. Определение понятия «энергоэффективное здание» // Жилищное строительство. 2010. № 8. С. 2–4.

8. Савин В.К. Строительная физика. Энергоэкономика .М.: Лазурь, 2011. 418 с.

9. Гусев Н.М. Основы строительной физики. М.: Стройиздат, 1975. 230 с.

10. Богословский В.Н. Строительная теплофизика. М.: Высшая школа, 1970. 417 с.


Войти или Создать
* Забыли пароль?