<<
>>

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 мС/Вт, для аналогичной конструкции бревенчатой стены с толщиной воздушного пространства 0,22 м (5 вершков) его термическое сопротивление будет ^воз.пр= 0,31 мС/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); λ- теплопроводность стали, Вт/(м оС); δи 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, мС/Вт; Rh- термическое сопротивление стены от воздушного прослойки до наружного воздуха, мС/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

<< | >>
Источник: УМНЯКОВА НИНА ПАВЛОВНА. РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ РАСЧЕТА И ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ С УЧЕТОМ СПЕЦИФИКИ ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ И ОТРАЖАТЕЛЬНЫХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. Москва - 2019. 2019

Еще по теме Анализ методов расчета и экспериментальных исследований конструкций наружных стен с замкнутыми и вентилируемыми воздушными пространствами:

  1. Анализ методов расчета и экспериментальных исследований конструкций наружных стен
  2. Экспериментальные исследования ограждающих конструкций с вентилируемыми воздушными пространствами, учитывающие специфику ветрового воздействия
  3. Эффективность отражательной теплоизоляции из материалов на основе алюминиевой фольги в воздушных пространствах конструкций наружных стен
  4. Математическое моделирование конструкции наружной стены с воздушным пространством с внутренней стороны методом конечных элементов
  5. Математическое моделирование конструкций вентилируемого фасада с воздушным пространством методом конечных элементов
  6. Конструкция вентфасада с перфорированной отражательной теплоизоляцией и метод расчета влажностного режима воздушного пространства
  7. ГЛАВА 2. РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ РАСЧЕТА ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ С ВОЗДУШНЫМ ПРОСТРАНСТВОМ С УЧЕТОМ ВЛИЯНИЕ СКОРОСТИ ВЕТРА
  8. 7.1 Конструкций вентилируемых фасадов с воздушными пространствами
  9. Расчет температуры в воздушном пространстве конструкций вентфасадов
  10. Исследования теплозащитных качеств конструкций наружных стен промышленного здания с отражательной теплоизоляцией на внутренней поверхности
  11. Перемещение твердых частиц аэрозолей в воздушных пространствах конструкций вентилируемых фасадов
  12. Моделирование теплопотерь в конструкции вентфасада с учетом скорости ветра и термического сопротивления вентилируемого воздушного пространства с отражательной теплоизоляцией
  13. Основы теплообмена излучением, конвекцией и теплопроводностью в замкнутом воздушном пространстве ограждающих конструкций учетом отражательных свойств материалов