ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Для обеспечения безопасности зданий в широком смысле этого понятия их конструкции, в том числе ограждающие, должны отвечать определенным требованиям.

Для обеспечения комфортного пребывания людей в здании и энергосбережения проектируются и применяются различные конструктивные решения оболочки здания - наружных ограждений, в частности, стен. Наряду с традиционными конструкциями наружных стен в строительстве стали применяться конструкции вентилируемых фасадов. Для их рационального проектирования важным фактором является разработка и совершенствование методов расчетов, более полно учитывающих особенности конструктивного решения ограждения, в частности, наличие воздушного пространства между наружными облицовочными плитами вентфасада и поверхностью утеплителя, свойства применяемых материалов, разнообразие внешний воздействий. Для этого требуется на основе теоретических разработок получить новые закономерности тепломассопереноса в ограждающих конструкциях, оценить влияние внешних воздействий и свойств материалов на параметры конструкций, что позволит при проектировании разработать более совершенные и надежные конструкции наружных ограждений, обеспечивающие создание комфортных условий для людей и энергосбережение в зданиях.

Таким образом, разработка новых и развитие существующих методов расчета является актуальным научным направлением в области строительства и обеспечения энергосбережения, направленным на разработку и проектирование рациональных конструктивных решений наружных ограждений с повышенными теплозащитными свойствами и создание комфортных условий для людей.

Степень проработанности темы. Теория расчета наружных ограждающих конструкций для обеспечения энергосбережения в зданиях базируется на исследованиях Власова О.Е., Фокина К.Ф., Шкловера А.М., Васильева Б.Ф., Михеева М.А., Лыкова А.В., Мачинского В.Д., Богословского В.Н., Гагарина В.Г., Куприянова В.Н., Табунщикова Ю.А., Монастырева П.В., Савина В.К., Соловьева А.К. и др. Анализ существующих методов расчета ограждающих конструкций показал, что в должной мере не учитываются в расчетах процессы лучистого и конвективного теплообмена в вентилируемых и замкнутых воздушных пространствах наружных ограждений. В связи с этим потенциал повышения тепловой защиты за счет использования отражательных свойств поверхностей материалов в наружных ограждающих конструкциях практически не используется в строительной практике. Это объясняется тем, что расчеты преимущественно проводились по упрощенным методам, не подкрепленными теоретическими и экспериментальными исследованиями. Поэтому возникла необходимость в проведении комплексных теоретических и экспериментальных исследований, позволивших провести совершенствование существующих методов и разработать более строгие методы расчета с учетом внешних воздействий и использованием при проектировании наружных ограждений отражательных свойств материалов.

Цель и задачи диссертационных исследований

Цель работы - развитие методов расчета вентилируемых фасадов в направлении более строгого учета внешних воздействий и отражательных свойств поверхностей ограждающих конструкций.

Задачи работы:

- провести анализ аналитических методов расчета и конструктивных решений наружных ограждающих конструкций;

-выявить влияние конструктивных параметров и скорости ветрового воздействия на динамику движения воздушного потока в вентилируемых воздушных пространствах конструкций вентфасадов;

-исследовать влияние параметров воздушных пространств в конструкциях наружных ограждений на процессы теплообмена;

- определить влияние параметров воздушных пространств вентфасадов на динамику движения в них твердых частиц аэрозолей;

- провести экспериментальные и теоретические исследования зависимости теплозащитных качеств ограждающих конструкций от отражательных свойств поверхности элементов;

- разработать методику расчета теплозащитных свойств наружных ограждений с учетом отражательных свойств поверхностей и ветрового воздействия;

- разработать алгоритмы расчета сопротивления теплопередаче наружных ограждений с учетом отражательных свойств поверхностей и ветрового воздействия.

Объект исследований - наружные стены с вентилируемыми фасадными системами и с замкнутыми воздушными пространствами;

Предмет исследований - параметры функциональных связей воздушных пространств конструкций вентфасадов со скоростью ветра и отражательными свойствами поверхностей вентфасада.

Научная гипотеза состоит в наличии устойчивых функциональных зависимостей между скоростью ветра, отражательной способностью материалов и теплозащитными свойствами ограждающих конструкций.

Научная новизна работы заключается в экспериментально-теоретическом установлении функциональных зависимостей конструктивных параметров вентфасадов от скорости ветра и отражательных свойств материалов, в их числе:

- выявлении зависимости скорости движения воздуха в воздушном пространстве вентфасадов от скорости ветра при различных параметрах воздушной прослойки;

- установлении влияния параметров воздушного пространства в вентфасадах на коэффициенты конвективного теплообмена при ламинарном, переходном и турбулентном движении воздуха;

- получении аналитической зависимости определения коэффициентов конвективного теплообмена в воздушном пространстве вентфасадов при ламинарном, переходном и турбулентном движении воздуха в зависимости от параметров воздушного пространства и воздействия скорости ветра;

- установлении функциональных соотношений зависимости скорости перемещения твердых частиц аэрозолей при их движении вверх от скорости воздушного потока в вентилируемом пространстве вентфасада с учетом скорости ветра, плотности воздушного потока, а также размера и плотности твердых частиц аэрозолей;

- установлении влияние твердых частиц аэрозолей на сорбционные свойства и эффективную теплозащиту утеплителя в конструкции вентфасадов;

- разработке алгоритма расчета термического сопротивления замкнутых и вентилируемых воздушных прослоек различной толщины в ограждающих конструкциях с учетом отражательных свойств поверхностей и динамики движения воздуха в воздушных пространствах конструкции вентфасада.

Теоретическая и практическая значимость работы:

- построены аналитические зависимости для определения параметров конвективного теплообмена в пространствах конструкций вентфасада в зависимости от интенсивности ветрового воздействия, параметров воздушных пространств и режимов движения в них воздушного потока, а также графический метод определения коэффициентов лучистого теплообмена с учетом отражательных свойств поверхностей;

- на основе модели Кирхгофа, Стокса, Коши, критериальных уравнений для чисел Нуссельта и Рейнольдса получена зависимость для определения

термического сопротивления вентилируемых воздушных прослоек различной толщины в вентфасадах при действии ветрового потока при расположении их на различной высоте на фасаде здания.

- получено уравнение для определения скорости движения твердых частиц аэрозолей вверх в воздушном пространстве конструкции в зависимости от ее размеров, скорости и плотности воздушного потока с учетом скорости ветра, плотности воздушного потока, а также размера и плотности твердых частиц аэрозолей;

- установлено влияние твердых частиц аэрозолей на сорбционные и теплозащитные свойства утеплителя в конструкциях вентфасадов;

- получены расчетные значения термических сопротивлений воздушных пространств различной толщины в наружных ограждающих конструкциях при учете отражательной теплоизоляции и численные значения;

- установлена величина коэффициента теплообмена у внутренней поверхности наружных стен при учете отражательной теплоизоляции;

- предложена практическая методика расчета температуры на внутренней поверхности наружных ограждающих конструкций учитывающая отражательные свойства поверхностей помещения;

- разработан метод расчета термического сопротивления воздушных пространств различных размеров в ограждающих конструкциях вентилируемых фасадов учитывающий отражательные свойства поверхностей и динамику движения воздуха в воздушных пространствах.

Методология и методы исследований

Методология работы основана на:

- критическом анализе опубликованных научных работ отечественных и зарубежных ученых в области обеспечения энергосбережения в зданиях;

-экспериментальных исследованиях наружных ограждений на поверенном оборудовании и в аттестованной климатической камере;

-теоретических исследованиях на основе фундаментальных методов теории теплопроводности, теории подобия и методов строительной физики.

Положения, выносимые на защиту диссертации:

1.

2. установленное влияние параметров воздушных пространств конструкции вентфасада на коэффициенты конвективного теплообмена при ламинарном, переходном и турбулентном движении воздуха;

3. уравнения для определения коэффициентов конвективного теплообмена в вентилируемом воздушном пространстве при ламинарном, переходном и турбулентном движении воздуха в зависимости от параметров воздушного пространства и воздействия скорости ветра;

4. зависимость скорости движения твердых частиц аэрозолей от скорости воздушного потока в воздушном пространстве вентфасада с учетом скорости ветрового потока, плотности воздушного потока, размеров и плотности твердых частиц;

5. выявленное влияние твердых частиц аэрозолей на сорбционные свойства и эффективную толщину утеплителя в конструкциях вентфасадов;

6.

аналитические зависимости для определения

температуры

поверхности стен учитывающие отражательные свойства помещения;

поверхностей

7. методика и алгоритмический метод расчета термического сопротивления воздушных пространств различной толщины в ограждающих конструкциях вентфасадов с учетом отражательных свойств поверхностей и динамики движения воздуха;

8. результаты экспериментальных исследований конструкций наружных стеновых ограждений, полученные в климатических камерах и натурных условиях, для сопоставления с теоретическими расчетами исследуемых ограждающих конструкций

Личное участие соискателя в получении результатов, изложенных в диссертации. Лично соискателем получены:

- результаты экспериментальных и теоретических исследований наружных ограждающих конструкций с учетом ветрового воздействия и отражательных свойств поверхностей материалов, явившиеся основой для проектирования наружных ограждающих конструкций с повышенными теплозащитными свойствам, обеспечивающие энергосбережение в зданиях.

- алгоритмы расчета тепловой защиты наружных ограждающих конструкций с воздушными пространствами с учетом отражательных свойств поверхностей, результаты их сопоставительного анализа с экспериментальными, позволившее подтвердить соответствие результатов теоретических расчетов экспериментальным значениям и оценить их эффективность;

- аналитические зависимости для расчета параметров воздушных прослоек при действии скорости ветра и учете отражательных свойств поверхностей, а также зависимости для вычисления температур внутренних поверхностей ограждений с учетом их отражательных свойств;

- методика расчета параметров воздушных пространств в наружных стенах с учетом отражательных свойств их поверхностей, а также сопоставительный анализ значений с результатами экспериментальных исследованиях, позволившие включить результаты и метод расчета воздушных прослоек с учетом отражательных свойств поверхностей в нормативные технические документы - Своды правил и ГОСТ.

- конструктивные решения наружных стен с вентилируемыми фасадами с использованием гладкой и перфорированной отражательной теплоизоляции на поверхности воздушных прослоек, позволяющие их использовать при проектировании наружных стен вновь строящихся и реконструируемых зданий для обеспечения энергосбережения и создания комфортных условий для нахождения людей.

Степень достоверности результатов обусловлена:

- использованием основных положений классической теории теплопередачи, апробированных методов строительной физики;

- сходимостью аналитических результатов, полученных по предложенным алгоритмам, и методикам расчета конструкций наружных ограждений с результатами натурных и экспериментальных исследований;

- использованием при проведении экспериментальных исследований ограждающих конструкций общепринятых методик исследований, поверенного оборудования и приборов, соответствующих ГОСТ.

Апробация результатов работы.

Основные положения работы были доложены и обсуждены на 35 научных республиканских и международных конференциях, из них на 29 конференциях в Российской Федерации и 6 конференциях за рубежом, включая

- Международные научные конференции «Академические чтения, посвященные памяти академика РААСН Осипова Г.Л. (Москва, 2009,2010, 2011, 2012,2013, 2014, 2015, 2016, 2017, 2018, 2019 гг.)

-11-th Conference of Interdisciplinary Problems in Environmental Protection and Engineering. Poland Polanica - Zdroj, 8-10 April 2019.

- XXXV Московский форум и выставка - Москва - энергоэффективный город. Москва, 24-26 октября 2018 г.

- XIV International Scientific-Technical Conference - Constructions of Optimized Energy Potential. Energy Saving Materials and Technologies. Poland, Czestochowa, 6­8 December 2017.

-Научно-техническая конференция «Эксплуатационные свойства

строительных материалов при нормировании энергосбережения в зданиях». Казань, 14 февраля 2017 г.

- International Reflective Insulation Manufactures Conference I-RIM. USA, Hollywood Beach, Florida. 1-3 June, 2016.

- Научно-практическая конференция - Инновационные энергоэффективные материалы и технологии. Производство. Особенности применения при

проектировании и строительстве зданий и инженерных коммуникаций. Переславль-Залесский, 17 июля 2015 г

- Российско-немецкий симпозиум - Практические решения для энергоэффективного строительства. Москва, МГСУ, 18 февраля 2014 г.

- Международная научно-практическая конференция- Экологическая безопасность, энергосбережение в строительстве и ЖКХ. Москва - Кавала, (Греция) 18-27 августа 2014

- ХХХ конференция и выставка - МОСКВА: проблемы и пути повышения энергоэффективности. Москва - энергоэффективный город. Москва, здание Правительства Москвы, 23-25 октября 2013 г.

- Международная научно-практическая конференция - Экологическая безопасность и энергосбережение в строительстве. Москва - Кавала, 17-27 августа 2013 г.

-Международная научно-практическая конференция- Биосферно

совместимые города и поселения. Брянск, 11-13 декабря 2012 г.

- Немецко-русский строительный симпозиум - Практика энергосбережения Восточной Европы: потенциал России. Веймар, Институт IFF, 15 ноября 2012 г.

- Русские дни строительной науки в Германии, 11 - 18 ноября 2012 г. Институт строительной физики Фрауэнховер, Хольцкирхен, 12 ноября 2012 г.

- Российско-французский Круглый стол - Инновационные технологии повышения энергоэффективности зданий в России и Франции. Москва, НИИСФ РААСН, 2 ноября 2012 г.

- Международная конференция - Биосферно-совместимые технологии в развитии регионов. Курск, 7-8 октября 2011 г.

- Всероссийская научно-практическая конференция - Строительство и

жилищно-коммунальный комплекс: Энергоэффективность. Инвестиции.

Инновации. Ярославль, 14-15 сентября 2011 г

- Координационное совещание РААСН - Биосферная совместимость городских поселений. Москва, МГСУ, 17 февраля 2011 г.

- XV международная практическая конференция - Проблемы и пути развития энергосбережения и защиты от шума в строительстве. Будва, 20-28 августа 2011г.

- Семинар «Современные отечественные строительные, отделочные материалы, технологии и оборудование для проведения капитального ремонта и строительства» - выставка «Отечественные строительные материалы 2010». Москва, «ЭКСПОЦЕНТР», 27 января 2010 г.

- Международная научно-практическая конференция «Энергосбережение и экология в строительстве, транспортная и промышленная экология» (Будва, 2010)

- XXVI конференция и выставка - Москва: проблемы и пути повышения энергоэффективности. Москва, 20-22 октября 2009 г и другие.

Область исследования соответствует паспорту научной специальности 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения:

- п.3 «Создание и развитие эффективных методов расчета и экспериментальных исследований вновь возводимых, восстанавливаемых и усиливаемых строительных конструкций, наиболее полно учитывающих специфику воздействия на них, свойства материалов, специфику конструктивных решений и другие особенности»;

- п.7 «Развитие теоретических основ строительно-акустических методов, поиск рациональных решений освещения зданий и отдельных помещений, рациональных объемно-планировочных и конструктивных решений зданий и сооружений, направленных на повышение эффективности капиталовложений, энерго-и ресурсосбережение, создание комфортных условий для людей и оптимальных для технологических процессов»

Реализация результатов работы

Работа была выполнены в НИИСФ РААСН и в рамках выполнения научно­исследовательской и опытно-конструкторской работы «Исследование влияния отражательной теплоизоляции на тепловую защиту наружных ограждающих конструкций» (№ госрегистрации АААА-А17-117051110103-5) для Министерства строительства и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации.

Результаты работы были использованы при актуализации СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий», разработке СП 345.1325800.2017 «Здания жилые и общественные. Правила проектирования тепловой защиты». Методика расчета теплозащиты наружных ограждающих конструкций при наличии отражательной теплоизоляции и примеры расчетов использованы при разработке ГОСТ Р 56734­2015 «Здания и сооружения. Расчет показателя теплозащиты ограждающих конструкций с отражательной теплоизоляцией».

Проведенные по разработанным методикам расчеты наружных ограждений с учетом воздействия ветра и отражательных свойств поверхностей были использованы проектировании жилого здания в Волгограде, при разработке технических решений и проведении утепления ангаров материально-технических служб Николо-Сольбинского женского монастыря, при разработке конструктивных решений наружных стен с использованием отражательной теплоизоляции заводом АО «ЛИТ», а также ООО «Библиотека информационных моделей» (BIMLIB) использовало полученные данные о характеристиках воздушных прослоек с отражательной теплоизоляцией и коэффициенте теплообмена на внутренней поверхности ограждающих конструкций зданий при разработке каталогов В1М-моделей конструкций с отражательной теплоизоляцией.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 34 работ, из которых 20 статей в журналах, входящих в перечень рецензируемых научных изданий ВАК, 3 статьи в журналах, входящих в международную базу научного цитирования Web of Science и 5 статей в журналах, входящих в международную базу научного цитирования Scopus.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 7 глав, заключения, списка литературы из 284 наименований и 5 приложений, 98 рисунков, 36 таблиц, 104 формул. Общий объем работы 341 страницы, объем приложений 23 страницы.