Введение к работе
Работа посвящена изучению процессов тепло- и массопереноса в слоистых средах применительно к ограждающим конструкциям зданий и сооружений, дорожным покрытиям, основаниям и фундаментам при нестационарных режимах их эксплуатации, а также разработке и развитию инженерных методов расчета и проектирования этих конструкций.
Актуальность работы. Энергосбережение возведено в ранг государственной политики практически всех развитых стран, в том числе и России. Строительная отрасль не составляет исключение. Одним из направлений по энергосбережению является совершенствование и ужесточение норм проектирования. Новая редакция СНиП 23-01-99 «Строительная климатология», СП 23-101-2000 «Проектирование тепловой защиты зданий», ГОСТ 7076-99 «Материалы и изделия строительные. Метод определения теплопроводности и термического сопротивления при стационарном тепловом режиме», изменения №№ 3 и 4 к СНиПН-3-79** «Строительная теплотехника» предъявляют повышенные требования к теплозащите зданий. Нормы с изменениями базируются на двух принципах: энергосбережения и санитарно-гигиеническая пригодность к эксплуатации. Смысл проектирования ограждающих конструкций заключается в назначении необходимого сопротивления теплопередаче конструкции (R). Конструктивное расположение слоев должно обеспечивать нормальный режим эксплуатации, при котором влажность материалов конструкции не должна превышать определенного уровня, и обеспечивался бы отвод конденсационной влаги, которая образуется в результате диффузии водяного пара через толщу конструкции из помещения наружу. Однако, нормами практически не учитывается процесс диффузии капиллярной влаги в толщу конструкции в следствие атмосферных воздействий, грунтовых вод, субъективных факторов, возникающих при эксплуатации зданий (аварии тепло- и водоснабжающих сетей, отсутствие надлежащего водоотвода с кровли, неисправности вентиляции, снижение, против нормативной, температуры теплоносителя в отопительных приборах, старение и деструктивное разложение вертикальной и горизонтальной гидроизоляции стен, нестационарность процессов тепломассопереноса и т.д.). Таким образом, проектирование ограждающих конструкций по существующим нормам не является безусловной гарантией их эксплуатационной надежности. Нашим предкам хорошо были известны «узкие» места конструкции сруба - верхние и нижние (закладные) венцы, именно эти венцы работают в худших термо-влажностных условиях, именно для них при рубке сруба брались бревна большего диаметра. Такие же «узкие» места имеют ограждающие конструкции стен. Повышенное содержание влаги в стенах можно с полной уверенностью отнести к дефектному состоянию, так как влага существенно снижает физико-механические и теплофизические характеристики материалов. Отсутствие на стадии проектирования моделирования процессов, протекающих в конструкциях и прогнозирования поведения конструкций при работе их в
реальных условиях, приводит к увеличению теплопотерь и к преждевременному старению конструкций. Отсутствие стандарта в области теплозащиты зданий, который включал бы в себя в качестве составных частей - СНиП «Строительная теплотехника», стандарт по параметрам внутреннего воздуха, стандарт по освещенности помещения и т.п., а также отсутствие единой политики в области стандартизации и сертификации строительной индустрии будет и дальше приводить к большим экономическим потерям.
По мнению автора, настало время, использовав наработки в других областях теплофизической науки, вернуться к разработкам академика А.В.Лыкова на новой качественной ступени и как бы «вернуть долг> строительной теплофизике в части расчета и последующей разработки рациональных ограждающих конструкций, отвечающих требованиям нормативных документов с учетом реально протекающих нестационарных физических процессов в толще многослойной конструкции (теплоперенос, паро-, воздухо-, влагопроницание, промерзание, оттаивание, сушка, конденсация). Анализ современных публикаций позволяет сделать вывод о разобщенности исследований в области математического моделирования и расчета термовлажност-ных процессов, протекающих в реальных многослойных ограждающих конструкциях.
В связи с изложенным, в работе были поставлены две взаимосвязанные цели: исходя из паспорта специальности 05.23.05, п.Ю - исследование совместной работы строительных материалов с разными свойствами в слоистых и сложных строительных конструкциях, а из паспорта специальности 05.23.01., п.З - 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. Эти цели были объединены посредством теоретических разработок математических моделей процессов, происходящих в различных строительных материалах, которые составляют тело многослойных конструкций и оснований на основе существующих и новых решений задач внутреннего тепломассопереноса при краевых условиях максимально приближенных к реальным; на базе полученных решений созданием инженерных методов расчета для оптимального проектирования многослойных ограждающих конструкций, оснований и фундаментов, а также разработки новых методик натурных испытаний строительных материалов и конструкций на тепло- и влагопроводность.
Научная новизна диссертации:
1. Впервые для процессов теплопереноса, тепло переноса, сопровож
дающегося фазовыми превращениями влаги в материале и взаимосвязанного
тепло- и массопереноса разработано их обобщенное математическое описа
ние в приложении к строительным материалам, конструкциям и основаниям.
2. На основе математического описания предложен комбинированный
метод расчета тепло- и массообменных процессов, протекающих в слоистых средах, состоящих из слоев строительных материалов с различными физико-механическими характеристиками. Метод базируется на решении восьми основных краевых задач:
теплоперенос в пластине с комбинированными граничными условиями III и I рода и неравномерными начальными условиями;
теплоперенос в пластине с комбинированными граничными условиями II и I рода и неравномерными начальными условиями;
теплоперенос в пластине с комбинированными граничными условиями II и III рода и неравномерными начальными условиями;
теплоперенос в пластине с фиксированными границами и условиями I рода на этих границах;
теплоперенос в пластине с неравномерным начальным распределением температур и источника теплоты с комбинированными граничными условиями I и II рода;
тепломассоперенос в пластине с комбинированными граничными условиями III и I рода и неравномерными начальными условиями;
тепломассоперенос в пластине с комбинированными граничными условиями II и I рода и неравномерными начальными условиями;
тепломассоперенос в пластине с комбинированными граничными условиями II и III рода и неравномерными начальными условиями.
-
Разработанный метод реализован в широком классе прикладных задач и позволяет смоделировать и рассчитать любую ситуацию, возникающую в многослойных ограждающих конструкциях, основаниях, грунтах, дорожных полотнах, связанную с промерзанием, оттаиванием, сушкой и охлаждением до точки росы любого слоя строительного материала, из которого состоят эти конструкции.
-
Впервые получены новые данные о кинетике процессов, протекающих в теле многослойной конструкции и слоистых основаниях и грунтах, в зависимости от исходных условий.
-
Осуществлена разработка пяти новых методик, применение которых позволяет определить нестационарные характеристики строительных материалов и строительных конструкций в любой момент "цикла жизни" и рассчитать их сопротивление теплопередаче без использования климатической камеры, а также на натурных конструкциях.
Практическое значение работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы на ОАО «Ивановская домостроительная компания» при проектировании и производстве трехслойных железобетонных панелей, при строительстве комбината детского питания, жилого дома по Педагогическому переулку, обследовании: перекрытия клиники "Миленарис", фасадов здания ОАО "Текстиль-Профи-Иваново", чердачного перекрытия главного корпуса ИГАСА в г. Иванове, и трех корпусов Тейков-ского ХБК, а так же могут быть использованы при составлении проектов, до-
полнений и новых редакций разделов нормативных документов, касающихся прочностных и теплотехнических характеристик ограждающих строительных конструкций. Результаты исследований переданы в ведущие проектные институты города Иваново: ОАО «Промстройпроект», ОАО институт «Ива-новопроект», ЗАО «Ивановский ГПИ-6», ОАО институт «Гидроагротех-пром», проектный институт ОАО «Ивановская домостроительная компания»; ОГУ «Ивгосэкспертиза; в НИИ строительной физики (г. Москва), а также внедрены в учебный процесс при подготовке инженеров по строительным специальностям в Ивановской государственной архитектурно-строительной академии. Вместе с тем, полученные результаты носят общий характер и, кроме строительства, могут быть использованы в различных отраслях промышленности. Благодаря предложенным математическим моделям и методам расчета у проектировщиков и исследователей появилась возможность отказаться от длительных по времени, достаточно громоздких (в отношении приборного обеспечения) испытаний строительных материалов, отдельных конструкций, оснований и грунтов и аппроксимировать данные нестационарного процесса на состояние конструкции при стационарном процессе. Автор защищает:
обобщенное математическое описание процессов теплопереноса, теп-лопереноса, сопровождающегося фазовыми превращениями влаги в материале и взаимосвязанного тепло- и массопереноса в приложении к строительным материалам, конструкциям и грунтам;
аналитические решения краевых задач теплопереноса при различных начальных условиях;
аналитические решения краевых задач тепло- и массопереноса при произвольных начальных распределениях потенциалов переноса и при наличии источников теплоты и массы на поверхности (или в объеме) строительной конструкции или грунта;
аналитические решения краевых задач взаимосвязанного тепло- и массопереноса при задании плотности теплового и массового потока в виде постоянной величины или функции;
математические модели и инженерные методы расчета многослойных ограждающих конструкций, грунтов и оснований, конструкций, фунтов и оснований и фундаментов конструкций дорожного полотна;
результаты экспериментальных исследований по определению температурных и влажностных характеристик строительных материалов;
предложения по проектированию ограждающих конструкций, грунтов и оснований, конструкций дорожного полотна.
Работа выполнялась по тематике программы «Жилище», а также программы «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» (подпрограммы 211.02 - «Строительные материалы, энергосберегающие и экологически безопасные технологии их производства» и 211.03 - «Строительные конструкции и совершенствование методов их
расчета»).
Апробация работы.
Результаты работы доложены на:
на 1-ой международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажност-ная обработка материалов)». - Москва, 2002 (пленарный доклад);
на четырех Российско-Польских семинарах «Теоретические основы строительства» (Россия - 2001 г. /Москва/, Польша - 2002 г/Варшава/, Россия - 2003 г. /Н.Новгород/, Полыпа-2004 г. /Варшава/;
на Соломатовских чтениях «Проблемы строительного материаловедения» г. Саранск, 2002 (пленарный доклад) и 2004г;
на III Международной научно-технической конференции «Надежность и долговечность строительных материалов и конструкций» - Волгоград, 2003 г. (пленарный доклад);
на Международном конгрессе «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии», посвященный 150-летию В.Г.Шухова- Белгород, 2003 г. (пленарный доклад);
на Международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии» X Бенардосовские чтения (ИГЭУ, 2001 г.);
- HaVI академических чтениях РААСН "Современные проблемы мате
риаловедения". - Иваново (2000г.)
на восьмых академических чтениях РААСН "Современное состояние и перспективы развития строительного материаловедения". - Самара (2004г.)
на трех апрельских конференциях (академических чтениях), состоявшихся в НИИСФ "Проблемы строительной теплофизики систем обеспечения микроклимата и энергосбережения в зданиях". - Москва (1999, 2000, 2003гг.)
восьми Международных научно-технических конференциях, состоявшихся в ИГАСА «Информационная среда ВУЗа»
(1996, 1997, 1999...2004 гг.);
четырех технических совещаниях в администрации г. Иванова с приглашением директоров и главных инженеров кирпичных заводов и проектных институтов г. Иванова;
на заседании архитектурно-строительной секции Ивановского отделения Петровской академии науки искусств (1999, 2003 гг.);
- опубликованы в 21 статье и одной монографии.
Объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав, заключения с основными выводами. Она содержит 325 страниц машинописного текста, включая: 19 таблиц и 98 рисунков и 3 блок-схемы, список литературы из 236 наименований и 5 приложений.
