Метод расчета процессов инфильтрации воздуха через дощатую обшивку на относе для бревенчатых стен

Проанализируем влияние инфильтрации воздуха через деревянную обшивку из досок на температурный режим воздушных прослоек на основе решения уравнения теплового баланса. Величина теплового потока с учетом инфильтрации через деревянную обшивку из досок будет:

где- коэффициент теплопередачи через дощатую обшивку с учетом

инфильтрации, Вт/(м²-°С); t_H- температура наружного воздуха, °С.

Для определения коэффициента теплопередачи при инфильтрации воспользуемся формулой, предложенной в работе [23]

где K_oβ- коэффициент теплопередачи через деревянную обшивку без учета инфильтрации, Вт/(м²°С), cW- коэффициент фильтрационного теплообмена, Вт/(м²°С).

В работе [209] величина воздухопроницаемости деревянных обшивок толщиной 20 мм составила:

— из обрезных досок впритык i = 12,4 кг/(м²-ч-Па);

— из обрезных досок в четверть i = 8,2 кг/(м²-ч-Па);

— из шпунтованных досок i = 0,7 кг/(м²-ч-Па).

Проанализируем влияние скорости ветрового потока на изменение температуры воздуха в воздушном пространстве при инфильтрации. Разность давления воздуха на наружной и внутренней поверхности деревянной обшивки из досок, вызванная действием ветрового напора, определим по следующему выражению [150]

где H- высота здания по вертикали, м; ун, увоз.пр - плотность наружного воздуха и воздуха в воздушном пространстве, кг/м³; ν- расчетная скорость ветра, м/с.

Сопротивление воздухопроницанию определяется по формуле Ru = δ/i, где δ

— толщина слоя, м; i- коэффициент воздухопроницаемости материала, кг/(м²-ч-Па), и по формуле Ru = Ap/W,где ∆p- разность давлений воздуха, Па; W

— количество фильтрующегося воздуха, кг/(м²ч).

Проведем расчет наружной стены двухэтажного здания с высотой этажа 3 м для температуры внутреннего воздуха плюс 18 ⁰С и наружного воздуха минус 26 ⁰С. Наружная стена выполнена из бревен толщиной0, 26 м с деревянной

обшивкой из досок толщиной 0,02 м и воздушным пространством толщиной 0,06 м. Расчетная скорость ветра 4,9 м/с.

При проведении инженерных теплотехнических расчетов заменяем бревна сруба диаметром 0,26 м на эквивалентный по сечению брус размером 0,22 х 0,22 м. Вычисляем, что средняя температура воздуха в воздушном пространстве между деревянной стеной и дощатой обшивкой составляет минус 19,86 ⁰С.

По формуле (6.4) определим ∆pдля наружной деревянной обшивки из досок первого этажа. При этом примем, что при температуре наружного воздуха минус 26 °С его плотность равна γ = 1,43 кг/м³; при температуре воздуха в воздушном пространстве минус19,86 °С его плотность равна γ = 1,38 кг/м³. Тогда ∆pбудет

∆p = 0,55 6 (1,43 - 1,38) + 0,03 1,43 24,01 = 1,19 Па

Количество воздуха, проходящего через деревянную дощатую обшивку, составит:

— при обрезных досках впритык W = 12,4?1,19 = 14,766 кг/(м²ш);

— при обрезных досках в четверть W= 8,2?1,19 = 9,760 кг/(м²ш);

— при шпунтованных досках W = 0,7 ?1,19 = 0,833 кг/(м²ш).

Определим численные значения коэффициента фильтрационного теплообмена для различных вариантов сопряжения досок при разном количестве инфильтрующего воздуха:

— при обрезных досках впритык cW = 0,278?14,766 = 4,102 Вт/(м²^°С);

— при обрезных досках в четверть cW = 0,278?9,760 = 4,713 Вт/(м²^°С);

— при шпунтованных досках cW = 0,278 ? 0,833 = 0,232 Вт/(м²^°С).

Сопротивление теплопередаче деревянной обшивки из досок составит

Рисунок 6.10 - Графики зависимости количества воздуха, проходящего через наружную обшивку от скорости ветра при ∆p = 1,19 Па

Коэффициент теплопередачи деревянной обшивки с учетом инфильтрации

— для обрезных досок впритык

— для обрезных досок в четверть

— для шпунтованных досок

Величина теплового потока, поступающая из помещения через деревянный сруб Qдер.сруб, в воздушное пространство будет

где- коэффициент теплопередачи деревянного сруба, Вт/(м²°С) и

R_e- сопротивление теплоотдачи внутренней поверхности (м²-°С)/Вт;- толщина деревянного сруба, м; Лдер.сруб -

коэффициент теплопроводности деревянного сруба Вт/(м² С); Ъюз.пр -

сопротивление теплоотдачи поверхности сруба, обращенной в воздушное пространство (м² °С)/Вт. Подставляя численные значения получим К_дер._сруб=

Количество теплоты, затрачиваемое на нагрев воздуха в воздушном пространстве при изменении температуры без учета инфильтрации и с ней будет

Рассмотренные уравнения (6.1), (6.5) и (6.6) позволяют для стационарных условий теплопередачи написать уравнение теплового баланса в следующем виде или

228

После интегрирования уравнения (6.10) оно примет следующий вид

или

Поскольку F₀изменяется от 0 до Fи tизменяется отуравнение

(6.9) примет следующий вид

или

Из уравнения (6.12) получим температуру воздуха в воздушном пространстве при инфильтрации наружного воздуха через деревянную обшивку

При подстановке в уравнение (6.13) значений Aи Bполучим уравнение (6.14)

Если принять F = 1 м², то уравнение (6.14) определение температуры воздуха в воздушном пространстве при инфильтрации воздуха через дощатую обшивку примет следующий вид

По формуле (6.15) определяем среднюю температуру воздуха в воздушном пространстве при инфильтрации наружного воздуха через деревянную обшивку составит:

— из обрезных досок впритык

— из обрезных досок в четверть

— из шпунтованных досок

Как видно разница температур между температурой воздуха в воздушном пространстве без учета инфильтрации и с учетом инфильтрации составила: для обрезных досок впритык обрезных досок в четверть шпунтованных досок

Полученное уравнение (6.15) позволяет рассмотреть стационарный тепловой процесс поступления наружного воздуха в воздушное пространство и определить температуру в нем воздуха при инфильтрации. Результаты расчетов по формуле (6.15) для различных температур наружного воздуха представлены на рисунке 6.11.

Анализ результатов расчетов по формуле 6.15 показал, что с понижением температуры наружного воздуха влияние инфильтрации на температуру воздуха в воздушном пространстве увеличивается. Наиболее высокие температуры воздуха наблюдаются в случае малой воздухопроницаемости дощатой обшивки при сопряжении досок в шпунт, наиболее низкие - при большой воздухопроницаемости дощатой обшивки. При сопряжении досок впритык температуры в воздушном пространстве наиболее низкие.

Рисунок 6.11 - Температура воздуха в воздушном пространстве в зависимости от

количества воздуха, проходящего через обшивку при температуре наружного

воздуха t∏ = -26 ^оС

Рассмотрим влияние процесса инфильтрации и эксфильтрации на теплозащитные свойства деревянной обшивки из досок толщиной 0,02 м, находящейся на относе бревенчатой стены толщиной 0,26 м. Для этого воспользуемся известной зависимостью — разностью между коэффициентами теплопередачи при инфильтрации и эксфильтрации. Эту разность можно представить в следующем виде

Из рассмотренной зависимости (6.16) можно получить величину коэффициента теплопередачи при эксфильтрации, относя количество проходящего воздуха через деревянную обшивку к 1 м² ее поверхности или

Полученное выражение (6.19) на основе использования ранее рассматриваемой формулы (6.3), позволяет определить коэффициент теплопередачи при эксфильтрации.

— из обрезных досок впритык

— из обрезных досок в четверть

— из шпунтованных досок

Из полученных данных видно, что коэффициент теплопередачи при эксфильтрации по мере понижения фильтрационного теплообмена возрастает.

Как видно из графика величины коэффициентов теплопередачи при инфильтрациии эксфильтрациизависят от коэффициента

фильтрационного теплообмена cW,который определяется видом сопряжения досок обшивки. Так при инфильтрации коэффициент теплопередачи

повышением cWувеличивается и при эксфильтрации коэффициент теплопередачи с повышением cWуменьшается.

Полученные величины коэффициентов теплопередачи обшивки стен малоэтажных зданий с учетом инфильтрации и эксфильтрации при различном количестве воздуха, проходящего через обшивку дома, приведены на рисунке 6.12.

Проанализируем теплотехнические свойства деревянной обшивки из досок на относе, когда она в процессе эксплуатации в зависимости от направления воздушного потока может находиться с наветренной стороны (происходит инфильтрация) или с подветренной стороны (происходит эксфильтрация) здания. Они приводятся для деревянной обшивки из досок на относе бревенчатой стены с учетом процессов инфильтрации и эксфильтрации в таблице 6.3.

Приведенные данные показывают, что при нахождении деревянной обшивки из досок на наветренной стороне здания под воздействием процесса инфильтрации сопротивление теплопередачи обшивки снижаются с 0,229 (м²°С)/Вт и, при обшивки стен досками впритык его величина опускается до 0,141(м² °С)/Вт.

Как видно сопротивление теплопередачи обшивки при инфильтрации уменьшается в 1,56 раз.

Полученные численные значения сопротивлений теплопередачи при фильтрации воздуха через обшивки из досок объяснимы. Коэффициент конвективного теплообмена для обшивки с наветренной стороны уменьшается и с подветренной стороны увеличивается. Таким образом в зависимости от направления ветра теплозащитные свойства деревянной обшивки из досок то будут понижаться и увеличиваться.

В настоящее время в малоэтажном домостроении широкое распространение получили жилые дома с обшивкой сайдингом. Учитывая, что в досках сайдинга предусматриваются специальные отверстия для вентиляции

воздушного пространства между стеной с утеплителем и обшивкой на относе разработанный метод расчета температурного режима наружных стен с обшивкой на относе при различной воздухопроницаемости обшивки применим для расчета температурного режима наружных стен современных малоэтажных зданий, отделанных досками из различного вида сайдинга.

Рисунок 6.12 - Зависимость коэффициента теплопередачи воздуха при инфильтрации(кривая 1) и эксфильтрации(кривая 2) наружного воздуха через дощатую обшивку бревенчатой стены

Таблица 6.2 - Теплозащитные характеристики деревянной обшивки из досок на относе бревенчатой стены с учетом инфильтрации и эксфильтрации при t_β = 18 °С и t_H = -26 °С.