Анализ методов расчета и экспериментальных исследований конструкций наружных стен с замкнутыми и вентилируемыми воздушными пространствами
На тепловую защиту наружных ограждающих конструкций оказывают влияние находящиеся в их толще воздушные пространства. Их теплозащитные качества обусловлены низким коэффициентом теплопроводности воздуха, при условии, что он находится в статичном (неподвижном) состоянии.
В реальных условиях в воздушных пространствах наблюдается постоянное конвективное движение воздуха и теплообмен излучением, обусловленные разностью температур на поверхностях [107, 209].
Вопросами оценки теплозащитных качеств воздушных пространств в стеновых конструкциях занимались многие исследователи. Так, в нормативных документах начала XX века указывалось [130, 131], что если «сравнить конструкцию наружных стен из бревен в 6 вершков (0,27 м) с внутренней штукатуркой по войлоку и дощатой обшивкой на относе и без неё», то термическое сопротивление воздушного пространства между обшивкой и бревнами составит ^воз.пр= 0,41 м2оС/Вт, для аналогичной конструкции бревенчатой стены с толщиной воздушного пространства 0,22 м (5 вершков) его термическое сопротивление будет ^воз.пр= 0,31 м2оС/Вт. Однако полученные
значения термических сопротивлений данных воздушных пространств - воздушных прослоек по сравнению с современными нормами [150] оказываются завышенными.
В вышедшей в 1910 году монографии [146] проанализированы процессы теплопередачи в ограждающих конструкциях, имеющих в своей толще воздушные пространства. В ней рассмотрены вопросы учета и «использования» теплоизоляционных свойств воздуха в пористых материалах и воздушных пространствах в наружных ограждающих конструкциях. «Так воздухъ должен находится въ замкнутых порахъ и неподвижных слояхъ между непроницаемыми стЬнками, защитой его спокойствія и сухости — отъ вТтра и влажности, а также соответственной формой и размТрами воздушныхъ слоевъ и каналовъ. Итакъ, въ ряду малотеплопроводныхъ и малоцТнныхъ матерьяловъ, каковы волокнистыя и пушистыя вещества, особенное вниманіе останавливаетъ на себТ воздухъ, казалось бы, матерьялъ — даровой и самый удобный для пользованія.
Остается создать условія, въ которыхъ его полезная функція получила бы полное развитіе, — и вопросъ о наивыгоднТйшей конструкціи получитъ идеальное разрТшеніе. Безспорно раціонально, удобно и выгодно во всТхъ отношешяхъ примТненіе пустотълаго кирпича взамТнъ массивнаго» [146].Исследованиям теплозащиты замкнутых воздушных пространств посвящена работа [107], в которой исследуется зависимость коэффициента теплопроводности воздушного пространства от его толщины на основе экспериментальных исследований.
В работе [209] предлагается определять термическое сопротивление воздушного пространства по величине эквивалентного коэффициента теплопроводности λ3κ, учитывающего все виды теплопередачи - теплопроводностью, онвекцией, излучением. В этих работах [107, 209] указывается целесообразность использования воздушных пространств для повышения тепловой защиты стеновых конструкций. Полученные результаты исследований были включены в нормативные технические документы [137-142, 144, 149, 150, 153].
В 1927 году в СССР Технических Условия и Нормах [161] для расчета теплопередачи через многослойные ограждающие конструкции, состоящие из слоев различных материалов и воздушных пространств, впервые в нормативной технической литературе приводится термическое сопротивление последних (таблица 1.1), при этом учитывается толщина прослойки и направление теплового потока
Таблица 1.1 - Термическое сопротивление воздушных пространств различной толщины, находящихся в толще наружных ограждениях с учетом конвекции и лучеиспускания [161]
Толщина воздушной прослойки, см | Количество тепла в килограммкалориях, кал | |
Поток тепла снизу вверх | Поток тепла сверху вниз | |
до 1 см | 0,10 | 0,10 |
π 1 π | 0,14 | 0,17 |
"2 " | 0,16 | 0,19 |
"3 " | 0,17 | 0,21 |
"4 " | 0,18 | 0,22 |
"8 " | 0,2 | 0,23 |
"15 " | 0,22 | 0,24 |
В этот период появились конструкции из бетонных и шлакобетонных камней с замкнутыми воздушными пространствами.
В дальнейшем оказалось, что опыт применения пустотелых камней с большими пустотами был неудачным [20]. Для воздушного пространства толщиной 20 см эквивалентный коэффициент теплопроводности принимали равным λθΕ= 0,95 Вт/(м оС), что выше коэффициента теплопроводности кирпичной кладки λ = 0,81 Вт/(м оС). Позже воздушные пространства стали заполнять малотеплопроводными материалами.С другой стороны, применение в наружных стенах материалов с несколькими, отделенными друг от друга воздушными пространствами незначительной толщины, типа керамических многопустотных камней, значительно улучшали теплотехнические качества наружных стен по сравнению со сплошными стенами той же толщины (рисунок 1.5).
В нормах 1939 года [113] при определении теплопотерь через ограждения зданий приведены теплотехнические свойства замкнутых воздушных пространств толщиной 0,1 - 0,3 м как для вертикальных с термическим сопротивлением (0,17 -0,19) в час-м2град/ккал, так и для горизонтальных при потоке теплоты снизу вверх - от 0,15 до 0,19 в час-м2град/ккал и при потоке теплоты сверху вниз - от 0,18 до 0,26 ) в час-м2град/ккал
Рисунок 1.5 - Наружные стены, выполненные из керамических блоков с замкнутыми воздушными прослойками [20].
В нормах 1958 г. [137] величину термического сопротивления замкнутых воздушных пространств в наружных ограждениях Rli.∏ толщиной 0,1-0,3 м при их вертикальном и горизонтальном расположении при тепловом потоке, направленном снизу вверх, принимают равной 0,12 - 0,16 м2 0С/Вт, при горизонтально расположенных воздушных пространствах при тепловом потоке сверху вниз - от 0,15 до 0,21 м2 0С/Вт
Величину термического сопротивления замкнутых воздушных пространств в наружных ограждениях Rli.∏ в нормах 1962 года [138] надлежало принимать в зависимости от толщины, расположения в конструкции и направления теплового потока (таблица 1.2).
Только в нормах 1979 - 2003 года [139-142, 144] отмечается, что при оклейке поверхности воздушного пространства алюминиевой фольгой его теплозащита увеличивается в 2 раза.
При этом численные значения термических сопротивлений воздушных пространств различной толщины с оклейкой поверхности алюминиевой фольгой не приводятся, хотя в строительной практике появилась тенденция использовать теплозащитные качества воздушных прослоек.Таблица 1.2- Термические сопротивления замкнутых воздушных пространств Rli.1∣
Толщина воздушной прослойки, мм | ^^в.п , м2 0C град/Вт | |||
для горизонтальных прослоек при потоке тепла снизу вверх и для вертикальных прослоек | для горизонтальных прослоек при потоке тепла сверху вниз | |||
лето | зима | лето | зима | |
10 | 0,13 | 0,15 | 0,13 | 0,15 |
20 | 0,14 | 0,15 | 0,15 | 0,19 |
30 | 0,14 | 0,16 | 0,16 | 0,21 |
50 | 0,14 | 0,17 | 0,17 | 0,22 |
100 | 0,15 | 0,18 | 0,18 | 0,23 |
150 | 0,15 | 0,18 | 0,19 | 0,24 |
200-300 | 0,15 | 0,19 | 0,19 | 0,24 |
Примечание. Величины Лв.п соответствуют разности температур на поверхностях прослоек, равной 10°.
Для уточненных расчетов необходимо величину Лв.п умножить на коэффициент:
при разности | температур | 8°..· | -..1,05 | |
» | » | » | 6°..· | ..1,10 |
» | » | » | 4°..· | ..1,25 |
» | » | » | 2°..· | -..1,40 |
Влияние воздушных пространств в строительных изделиях на повышение теплозащитных качеств керамического, силикатного кирпича и керамзитобетонного камня приведено в работах [116, 117, 118] при отсутствии свободной конвекции. В них исследуются разработанная конструкция силикатного и керамзитобетонного камня с высокими теплоизоляционными характеристиками, которая обеспечивается благодаря устройству нескольких замкнутых воздушных пространств в их толще. Воздушные пространства
располагаются параллельно друг другу и разделены «перегородками», выполненными из материалов блока. При расчете их эквивалентной теплопроводности задается температурный перепад на его противоположных поверхностях и для заранее заданных перепадов температур ∆τ, равных 10, 20, 30, 40, 50 и 100 0С, и вычисляется эквивалентная теплопроводность воздушных пространств толщиной от 2 до 12 мм.
Также, в работе [116] приведено определение эквивалентной теплопроводности силикатного камня с 5 - 8 воздушными пространствами толщиной по 5 мм каждое. В расчетах принимается теплопроводность воздуха, равная Хэкв= 0,024 Вт/(м оС). Аналогичное исследование керамзитобетонного блока с 9 воздушными пространствами толщиной 5 мм проведено в работе [118] В работах указывается, что увеличение количества воздушных пространств в кладке из силикатных, керамзитобетонных и керамических блоков приводит к повышению ее теплозащитных качеств.
Численное моделирование вертикальных воздушных пространств в пустотелых кирпичах проводится в работе [273]. На основе анализа результатов расчетов установлено, что при наличии большего количества воздушных полостей малого размера исследуемые кирпичи одинаковое соотношение эквивалентных теплопроводностей в вертикальном и горизонтальном направлениях; при воздушных полостях большего размера происходит усиление естественной конвекции, что также отмечено в работе [209].
При исследовании массивной экранной теплоизоляции [92], представляющей систему из стальных листов, с находящимися между ними воздушными пространствами, эффективный коэффициент теплопроводности λ3κдля системы определялся по формуле
где R -общая толщина системы экранирования, м; ,воз - теплопроводность воздуха, Вт/(м оС); λcτ- теплопроводность стали, Вт/(м оС); δcτи δΒ03-
соответственно толщина одного листа стали и толщина одной воздушной полости, м; n- число слоев, шт. При этом в расчетах принимается теплопроводность воздуха равная λΒ03= 3,21∙10-2Вт/(м оС). В работах [92-94, 208] приведены исследования объемной теплоемкости и коэффициентов температуропроводности системы массивных экранов, позволяющие сделать вывод об эффективности их применения при защите от теплового воздействия при стационарных и нестационарных условиях теплопередачи. Однако, в этих исследованиях не рассматривалось повышение тепловой защиты воздушных пространств при использовании на их поверхности материалов с низкими коэффициентами отражения.
С появлением конструкций вентилируемых фасадов с наружной облицовкой из декоративных плит из плотных паронепроницаемых материалов (керамогранита, армированные цементные плитки, натуральный гранит и др.) встала задача разработки методов расчета конструкций наружных стен с вентилируемыми воздушными пространствами между фасадной облицовкой и утеплителем, т.к. традиционными методами расчет теплотехнических характеристик вентилируемых фасадов не представлялся возможным.
Для теплотехнических расчетов стен с вентфасадами стали для расчета коэффициента конвективного теплообмена в воздушных пространствах стали применяться различные формулы. В частности, эмпирическая формула Франка для определения конвективного теплообмена в вентилируемом воздушном пространстве вентфасада
где V- скорость ветра, м/с; e- основание натурального логарифма.
Ранее формула (1.3) в работах [ 209, 216] использовалась для определения коэффициента теплообмена у наружной поверхности стены, поскольку она получена для вертикально расположенной пластины размером 0,7х0,7 м, нагретой до температуры 30-50 оС, на открытом воздухе с температурой (+5) - (+20) оС при скорости движения воздуха от 0 до 4,16 м/с. [216]
Для определения скорости движения воздуха в вертикально расположенном воздушном пространстве вентфасада Vв настоящее время рекомендуется приближенная формула [16]
где Ki и K2- аэродинамические коэффициенты на входе в воздушное пространство и выходе из нее; vH- скорость ветра м/с; h- разность высот между отверстий входа воздуха в пространство и выхода из нее, м; tcp- средняя температура, принимаемая равной tp.m, оС ; tp^. - средняя температура воздуха в воздушном пространстве, оС; ⅛ - температура наружного воздуха, оС; ∑ ξ—сумма коэффициентов местных сопротивлений.
Однако, формула (1.4) упрощена, и для расчета скорости движения воздуха в воздушном пространстве вентфасада vnpв нормативных документах [150, 153] указывается, что «при расположении приточных и вытяжных отверстий воздушного пространства на одной стороне здания» можно пользоваться приближенной формулой (1.5), которая имеет вид
где t∏p- температура воздуха в воздушном пространстве вентфасада, оС.
В методических рекомендациях [121] и нормативном документе [153] приводится приближенная формула для вычисления скорости движения воздуха в воздушном пространстве вентфасада, имеющая вид
где Rb- приведенное сопротивление глухой части стены с вентилируемым фасадом, м2оС/Вт; Rh- термическое сопротивление стены от воздушного прослойки до наружного воздуха, м2оС/Вт.
При этом расчет температуры и скорости движения воздуха в вентилируемом воздушном пространстве проводится методом последовательных итераций в несколько шагов без учета воздействия скорости ветра.
В работах [123-127] были приведены формулы для расчета вентилируемых воздушных пространств между наружной облицовкой и утеплителем в конструкциях вентфасадов на основе уравнений, приведенных в [105, 209] для горизонтально расположенных воздушных пространств в вентилируемых покрытиях.
За последние два десятилетия разработан ряд численных моделей, многие из которых могут быть использованы для прогнозирования движения воздушных потоков в воздушных пространствах и замкнутой среде помещения. Однако, как отмечено в исследовании [284] важным является оценка точности результатов расчетов по предлагаемым математическим моделям, потенциально подходящим для проведения расчетов движения воздушных потоков в замкнутой среде помещений.
В работе [68] рассматривается тепло-влажностный режим вертикально расположенного вентилируемого воздушного пространства вентфасада здания, обслуживаемого централизованными теплосетями, при учете только конвективного теплообмена в воздушном пространстве. В качестве одного из основных параметров, учитываемых в расчете, принимается теплопроводность воздуха, равная λ=0,024 Вт/(м оС). При этом среднее значение коэффициента теплоотдачи для наружного воздуха на входе в воздушное пространство аН принимается при температуре наружного воздуха tн< 0 oC и определяется по формуле
ωΗ- скорость воздуха, омывающего наружную поверхность воздушной прослойки, м/с; J3kb- эквивалентный диаметр воздушной прослойки, м.
Определение αΗна входе в вентилируемое воздушное пространство было использовано авторами работы [68] для автоматического регулирование расхода воздуха для предотвращения образования конденсата на поверхности ограждающих конструкций, обращенных в прослойку, при изменяющихся погодно-климатических условиях.
В исследованиях [14] расчеты воздушного пространства вентфасада проведены на основе зависимостей, которые были использованы в [150]. Однако, скорость ветра в этих расчетах не учитывалась. В работе получено значение температуры воздуха посередине толщины и высоты воздушного пространства вентфасада для числа Нуссельта равное Nu = 2 по результатам аналитического расчета и 2В-моделирования.
В работе [98] на основе принятых условий, что температуры на внутренней поверхности конструкций в воздушном пространстве вентфасада различны в поперечном сечении исследуется одномерная модель конвективного движения воздуха и приводится характер изменения температуры и скорости воздуха при числе Рэлея 40,8 103.
В работе [272] численно исследованы явления естественного конвекционного теплообмена в вентилируемых фасадах при ламинарном движении воздушного потока с числами Рэлея от 1 до 105 и определены числа Нуссельта для поверхностей исследуемого воздушного пространства.
Теоретические исследования «гидравлически вентилируемой щели вентфасада» и определение оптимального размера вентилируемого канала вентфасада с толщиной вентилируемой воздушной прослойки hи высотой L приводятся в работе [119]. При свободном конвективном движении воздуха в вентфасаде, обусловленным наличием разности плотностей воздуха на «входе» и «выходе» из «воздушного зазора», произведен расчет оптимального размера щелевидного канала и получено, что «для стометрового канала оптимальным является размер щели h = 1,5 м».
В работе [220] предлагается вычислять скорость движения воздуха в зависимости от ширины воздушного пространства по формуле, где h и
L - ширина и высота воздушного зазора; λ - коэффициент гидравлического трения.
При этом в выше приведенных исследованиях движения воздуха в воздушном пространстве вентфасада не учитывается воздействия ветра на фасад здания и
отражательные свойства поверхностей элементов наружных ограждений в конструкциях вентфасадов, обращенных в воздушные пространства.
1.4
Еще по теме Анализ методов расчета и экспериментальных исследований конструкций наружных стен с замкнутыми и вентилируемыми воздушными пространствами:
- Анализ методов расчета и экспериментальных исследований конструкций наружных стен
- Экспериментальные исследования ограждающих конструкций с вентилируемыми воздушными пространствами, учитывающие специфику ветрового воздействия
- Эффективность отражательной теплоизоляции из материалов на основе алюминиевой фольги в воздушных пространствах конструкций наружных стен
- Математическое моделирование конструкции наружной стены с воздушным пространством с внутренней стороны методом конечных элементов
- Математическое моделирование конструкций вентилируемого фасада с воздушным пространством методом конечных элементов
- Конструкция вентфасада с перфорированной отражательной теплоизоляцией и метод расчета влажностного режима воздушного пространства
- ГЛАВА 2. РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ РАСЧЕТА ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ С ВОЗДУШНЫМ ПРОСТРАНСТВОМ С УЧЕТОМ ВЛИЯНИЕ СКОРОСТИ ВЕТРА
- 7.1 Конструкций вентилируемых фасадов с воздушными пространствами
- Расчет температуры в воздушном пространстве конструкций вентфасадов
- Исследования теплозащитных качеств конструкций наружных стен промышленного здания с отражательной теплоизоляцией на внутренней поверхности
- Перемещение твердых частиц аэрозолей в воздушных пространствах конструкций вентилируемых фасадов
- Моделирование теплопотерь в конструкции вентфасада с учетом скорости ветра и термического сопротивления вентилируемого воздушного пространства с отражательной теплоизоляцией
- Основы теплообмена излучением, конвекцией и теплопроводностью в замкнутом воздушном пространстве ограждающих конструкций учетом отражательных свойств материалов