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 м^2оС/Вт, для аналогичной конструкции бревенчатой стены с толщиной воздушного пространства 0,22 м (5 вершков) его термическое сопротивление будет ^_воз._пр= 0,31 м^2оС/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.

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 λ_3κ, 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]

В этот период появились конструкции из бетонных и шлакобетонных камней с замкнутыми воздушными пространствами.

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 R_li.∏ толщиной 0,1-0,3 м при их вертикальном и горизонтальном расположении при тепловом потоке, направленном снизу вверх, принимают равной 0,12 - 0,16 м^{2 0}С/Вт, при горизонтально расположенных воздушных пространствах при тепловом потоке сверху вниз - от 0,15 до 0,21 м^{2 0}С/Вт

Величину термического сопротивления замкнутых воздушных пространств в наружных ограждениях R_li.∏ 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 R_li.₁∣

Примечание. Величины Лв.п соответствуют разности температур на поверхностях прослоек, равной 10°. Для уточненных расчетов необходимо величину Лв.п умножить на коэффициент:

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 Х_экв= 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 λ_3κдля системы определялся по формуле

где R -общая толщина системы экранирования, м; ,_воз - теплопроводность воздуха, Вт/(м ^оС); λ_cτ- теплопроводность стали, Вт/(м ^оС); δ_cτи δ_Β03-

соответственно толщина одного листа стали и толщина одной воздушной полости, м; n- число слоев, шт. При этом в расчетах принимается теплопроводность воздуха равная λ_Β03= 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; v_H- 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 v_npв 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 R_b- приведенное сопротивление глухой части стены с вентилируемым фасадом, м^2оС/Вт; R_h- термическое сопротивление стены от воздушного прослойки до наружного воздуха, м^2оС/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 t_н< 0 ^oC и определяется по формуле

ω_Η- скорость воздуха, омывающего наружную поверхность воздушной прослойки, м/с; J₃kb- эквивалентный диаметр воздушной прослойки, м.

Определение α_Ηна 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