Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Исследование состояния вопроса: тепло-влаго-обмен в наружных ограждающих конструкциях mзданий при влиянии ветра 14
1.1. Физико-математические модели влагообмена, основанные на потенциалах влажности 14
1.2. Исследование коэффициентов влагообмена при наличии ветра... 31
1.3. Выбор направления исследований 36
1.4. Выводы по первой главе 37
ГЛАВА 2. Постановка экспериментальных исследований влияния скорости ветра на коэффициентвлагообмена на наружной поверхности ограждений 39
2.1. Порядок проведения экспериментальных исследований 39
2.2. Влияние различных факторов на результаты экспериментальных исследований коэффициентов влагообмена при различных скоростях ветра 46
2.3. Методика обработки экспериментальных данных 52
2.4. Выводы по второй главе 63
ГЛАВА 3. Анализ результатов экспериментальных исследований влияния ветрового режима на коэффициенты влагообмена и потенциалопроводности влаги пористых строительных материалов наружных ограждений зданий 65
3.1. Результаты экспериментальных исследований коэффициентов влагообмена строительных материалов, широко применяемых в ограждающих конструкциях зданий в расчетном диапазоне скоростей ветра 65
3.2. Вывод расчетной зависимости коэффициента влагообмена, учитывающей дополнительное влияние скорости ветра 68
3.3. Учет влияния скорости ветра на изменение коэффициентов по-тенциалопроводности влаги 78
3.4. Выводы по третьей главе 89
ГЛАВА 4. Исследование влияния ветра на тепло-влажностный режим ограждающих конструкций зданий методом физико-математического моделирования 91
4.1. Физико-математическая модель нестационарного тепло-влаго-обмена в наружном ограждении с учетом скорости ветра 91
4.2. Расчет нестационарных температурно-влажностных полей ограждающих конструкций зданий с учетом ветрового режима (численное решение) 99
4.3. Сравнение результатов расчета температурно-влажностного режима ограждающих конструкций зданий с натурными данными 106
4.3.1. Расчет температурно-влажностного режима в однослойной керамзитобетонной панели 106
4.3.2. Расчет температурно-влажностного режима в однослойной пенобетонной панели 109
4.3.3. Расчет температурно-влажностного режима в 3-хслой-ной панели 112
4.3.4. Расчет температурно-влажностного режима в облегченной кирпичной стене 115
4.4. Выводы по четвертой главе 119
ГЛАВА 5. Прогноз влажностно-теплового режима ограждающих конструкций с учетом влияния ветра 121
5.1. Исследование влажностного режима в панели вентилируемых фасадов и 3-х слойной керамзитобетонной панели с учетом влияния ветра 121
5.2. Оценка экономической эффективности оптимизации уровня теплозащиты зданий по прогнозируемому температурно-влажностному состоянию ограждающих конструкций с учетом ветра 127
5.3. Выводы по пятой главе 135
Заключение 137
Список литературы 139
Приложения 154
- Влияние различных факторов на результаты экспериментальных исследований коэффициентов влагообмена при различных скоростях ветра
- Вывод расчетной зависимости коэффициента влагообмена, учитывающей дополнительное влияние скорости ветра
- Расчет нестационарных температурно-влажностных полей ограждающих конструкций зданий с учетом ветрового режима (численное решение)
- Расчет температурно-влажностного режима в однослойной пенобетонной панели
Введение к работе
l
'Актуальность проблемы. На эксплуатационные качества наружных ограждающих конструкций зданий существенное влияние оказывает их температурно-влажностный режим. В последнее время в практике строительства для наружных ограждений все больше применяются пористые материалы с повышенными теплоизоляционными свойствами, позволяющие уменьшить (по сравнению с традиционными - например, кирпичными) толщину конструкций. В этом случае концентрация влаги в порах материалов на единицу толщины конструкции принимает большие значения. Поэтому, влажностный режим оказывает более существенное влияние на их теплозащитные качества и долговечность. В связи с этим, очень важно при разработке конструкции наружного ограждения расчетным путем выяснять условия для конденсации влаги и возможности влагонакопления. Существующие методы расчета нестационарного тепло-влагопереноса часто отбраковывают конструкцию, в которой у наружной поверхности происходит чрезмерное влагонасыщение. В месте с тем, в существующей практике расчетов не учитывают влияние ветра на сушку наружного слоя ограждения, а натурные наблюдения показывают, что это влияние существенно. С другой стороны, в практике проектирования и строительства при расчете теплозащиты зданий не учитывается реальная картина распределения эксплуатационной влажности в толще ограждения, которая вызывает непредвиденное увеличение годовых эксплуатационных затрат на перерасход тепла из-за несоответствия фактического сопротивления теплопередаче наружных стен и покрытий зданий расчетной его величине. Учет ветрового режима, в нестационарной модели влагообмена, дал бы возможность делать более точный прогноз влажностного состояния ограждающих конструкций, приближающий расчетное влажностное состояние к натурному. Поскольку процессы тепло и влагообмена взаимосвязаны, то это позволит более точно оценивать нестационарный температурно-влажностный режим ограждения, а следовательно повысить теплозащитные качества, надежность и долговечность ограждающих конструкций зданий.
Таким образом, исследования влияния ветрового режима на влагообмен и модификация методов расчета тепло-влажностного- рожпма-яаружяых ограждений
РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ і
БИБЛИОТЕКА }
2 с учетом этого влияния, актуальны как с точки зрения теплозащиты, так и долговечности ограждающих конструкций.
Работа выполнялась в соответствии с научно-технической программой "Научное исследование высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники" и подпрограммой (211) "Архитектура и строительство", а также тематическим планом научно-исследовательской работы Волгоградской государственной архитектурно-строительной академии.
Цель работы - повышение теплозащитных качеств и долговечности наружных ограждающих конструкций зданий посредством учета влияния ветрового режима на влагообмен в расчетах нестационарного температурно влажностного состояния ограждений.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
уточнение расчетной физико-математической модели совместного нестационарного тепло-влагопереноса в многослойных ограждающих конструкциях зданий с учетом дополнительного влияния ветрового режима на влагообмен;
экспериментальные исследования влияния скорости ветра на коэффициенты влагообмена пористых строительных материалов;
исследование влияния ветрового режима на расчетное температурно-влажностное состояние ограждающих конструкций и сравнение данных расчетов с имеющимися натурными данными;
оценка эффективности оптимизации уровня теплозащиты зданий по прогнозируемому температурно-влажностному состоянию ограждающих конструкций с учетом ветра;
получение расчетной зависимости коэффициента влагообмена, учитывающей поправку на ветер;
учет поправки на фильтрацию за счет ветрового воздействия в расчетной зависимости коэффициента потенциалопроводности влаги.
Основная идея работы состоит в совершенствовании существующих методов расчета температурно-влажностного состояния многослойных ограждающих конструкций с учетом воздействия ветрового режима на влагообмен.
- *.;'
Методы исследования включали: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, физико-математическое моделирование, лабораторные исследования, обработку экспериментальных данных методами математической статистики с применением ПК.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована планированием необходимого объема экспериментов, доказана применением классических положений строительной теплофизики при моделировании изучаемых процессов, подтверждена удовлетворяющей сходимостью полученных результатов расчетов с результатами других авторов и натурными данными.
Научная новизна работы состоит в том, что:
- уточнена расчетная физико-математическая модель нестационарного тепло-
влагопереноса в наружном ограждении с учетом поправок на ветер;
получены экспериментальные зависимости коэффициентов влагообмена от скорости ветра и выявлено, что коэффициент слабо зависит от вида пористого материала и размера изготовленного из него образца;
экспериментально получены эмпирические поправки к расчетным зависимостям коэффициентов влагообмена и коэффициентов потенциало-проводности влагопереноса, учитывающие эффект влияния ветра;
установлено, что на коэффициент потенциалопроводности влаги скорость ветра оказывает меньшее влияние, чем на коэффициент влагообмена;
- проведена оценка температурно-влажностного состояния ограждающих
конструкций с учетом ветрового режима.
Практическое значение работы:
разработаны и внедрены практические рекомендации к расчетам теплоэффективности ограждающих конструкций, с учетом влияния ветра, для повышения уровня теплозащиты здания;
усовершенствована методика долговременного прогноза нестационарного тепло-влажностного состояния многослойных наружных ограждений, с учетом влияния ветрового режима на влагообмен.
предложен метод оценки эффективности оптимизации уровня теплозащиты зданий по прогнозируемому температурно-влажностному состоянию ограждающих конструкций с учетом влияния ветра.
4 Реализация результатов работы:
рекомендации по результатам прогноза влажностного состояния ограждающих конструкций с учетом ветрового режима внедрены КБ завода ЖБИ-1 г. Волгограда в расчетах при разработке 3-х слойных панелей с эффективным утеплителем для жилых домов серии КП 2000.
выводы, рекомендации и научные результаты работы внедрены ООО "БИНКО - ОСП" г. Волгограда при разработке проектной документации в теплотехнических расчетах ограждающих конструкций жилых домов;
материалы диссертационной работы использованы кафедрой архитектуры ВолгГАСА в курсах лекций по дисциплине "Строительная физика" для студенгов специальности 290500 "Городское строительство и хозяйство", а также в дипломном проектировании при подготовке инженеров специальности 290300 "Промышленное и гражданское строительство".
На защиту выносятся:
уточненная расчетная физико-математическая модель совместного нестационарного тепло-влагопереноса в многослойных ограждающих конструкциях зданий с учетом влияния ветрового режима на влагообмен;
результаты экспериментальных исследований влияния скорости ветра на коэффициенты влагообмена и потенциалопроводности влагопереноса;
результаты расчетов нестационарных температурно-влажностных полей в ограждающих конструкциях зданий с учетом влияния ветра на влагообмен;
методика оценки эффективности оптимизации уровня теплозащиты зданий по прогнозируемому температурно-влажностному состоянию ограждающих конструкций с учетом ветрового режима.
расчетные зависимости коэффициентов влагообмена и потенциалопроводности влаги, учитывающие влияние ветрового режима;
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и получили одобрение на: 8-й международной научно-практической конференции "Стены и фасады. Актуальные проблемы строительной теплофизики" (Москва, 2003 г.); 3-й международной научно-технической конференции "Надежность и долговечность строительных материалов" (Волгоград, 2003 г.); 2-й международной научно-технической
5 конференции " Качество внутреннего воздуха и окружающей среды" (Волгоград, 2003 г.); ежегодных научно-технических конференциях Волгоградской государственной архитектурно-строительной академии.
Публикация. Основные результаты исследований по теме диссертации изложены в шести печатных работах.
Объем я структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографического списка использованной литературы и приложений. Общий объем работы без приложений составляет 153 страницы, включая 28 иллюстраций на 28 страницах, 2 таблицы на 2 страницах, библиографический список литературы из 155 наименований на 15 страницах. Приложение состоит из трех частей на 24 страницах.
Влияние различных факторов на результаты экспериментальных исследований коэффициентов влагообмена при различных скоростях ветра
В соответствии со СНиП [141] «Строительная климатология» и справочнику по климату [100] для юго-восточной части России средняя месячная скорость ветра колеблется в диапазоне V = 2.9 -г- 9.7 м/с, а средняя относительная влажность воздуха ср = 46 -5- 89 %. А для Волгограда V = 5.2 7.4 м/с, ф = 51 -г- 85 %. Поэтому, эксперименты проводились в диапазонах соответствующих средним значениям климатических изменений; т.е. в диапазоне скоростей ветра VB от 0 до 10 м/с и относительных влажностей воздуха ф от 51 до 85%, которым соответствуют пересчитанные по (2.3), относительные потенциалы воздушной среды 0Ф от 8 до 20.6 В.
Для экспериментальных исследований диапазон скоростей ветра был расширен до 14 м/с и устанавливаемые скорости составляли: 0, 1.4, 3, 5, 10, 12 и 14 м/с. Опыты проводились в состоянии термодинамического равновесия на границе поверхность - воздух т.е. при Гпов = Гвозд = 20С. Эксперимент повторяли для каждого образца при всех значениях скорости ветра. Необходимая средняя скорость потока воздуха устанавливалась при помощи регулирующих устройств (шиберов) и определялась по эпюре, измеренных в мерном сечении трубы жидкостным компенсационным микроманометром и пневмометрическои трубкой (Пито), динамических давлений (см. рис.2.8). зоне периода падающей скорости, начиная со второй критической точки, направление потока не оказывает влияние на скорость сушки (см. рис.2.5). Для исследования Лыков взял образец глины размером 5x8x2 см3. Все поверхности образца, за исключением одной, покрывались влагоизоляцией так, что испарение влаги происходило только с одной поверхности. Образец располагался под различными углами по отношению к потоку воздуха, а именно под углом 180, 90, 45 и 0 (при угле наклона в 0 поток воздуха ударял в сторону, противоположную по отношению к поверхности испарения). Средняя скорость ветра была установлена Гветр = 4 м/с. Экспериментально установлено (рис.2.5), что скорость сушки при направлении потока в 90 (поток воздуха идет вдоль поверхности испарения) очень мало отличается от скорости сушки при угле наклона 45 в периоде постоянной скорости. Отношение скорости сушки при крайних положениях 0 и 180 равно 1.52, а между положениями 180 (поток перпендикулярен поверхности испарения) и 90 это отношение равно 1.11. Для ускорения процесса сушки образцов строительных материалов в аэродинамической трубе, будем производить двухстороннюю сушку. Это также позволяет производить более достоверные исследования.
Так как в случае с пластиной материала у А.В. Лыкова в [60], в которой все поверхности образца, за исключением одной, влагоизолированы, происходит разряжение у изолированной поверхности, которое мешает нормальному течению процесса сушки. Это связано с тем, что в результате ветрового воздействия материал начинает быстро сохнуть, вызывая миграцию влаги от изолированной поверхности к свободной, а воздух не успевает занять освобожденное от влаги пространство. Оптимальным будет положение образца 90 (поток воздуха идет вдоль поверхности испарения), т.к. при этом положении он меньше всего оказывает влияние на поток. Поток влаги же jcp будет легко рассчитываться как полный поток jn поделенный на двойную поверхность испарения: где jcp,jn - соответственно поток влаги на поверхности и полный поток влаги для удобства дальнейших расчетов приводятся к размерностям системы Си: кг/(м2-с); Апов - площадь боковой поверхности, с которой производится съем влаги,м2. С учетом того, что площадь поперечного сечения образца (по торцу) достаточно малая величина в сравнении с площадью поперечного сечения трубы (в среднем для всех образцов), можно считать, что образец не влияет на среднюю скорость движения воздуха Гф в сечении трубы: где Лобр, A-rpyQ - соответственно площадь поперечного сечения образца, рассматриваемая перпендикулярно движению потока воздуха в аэродинамической трубе и площадь поперечного сечения трубы, м2.
Автором данной диссертационной работы первоначально для экспериментальных исследований различных факторов на коэффициент влагообмена был взят один из наиболее распространенных капиллярно-пористых строительных материалов, применяемых в ограждающих конструкциях зданий - керамический кирпич. Для того, чтобы исследовать влияет ли на влагообмен такой фактор как площадь поверхности увлажненного материла, с которой производится съем влаги, рассматривались образцы керамического кирпича различных размеров: 10x10x1.5 см3, 6x6x1.2 см3 и 4x4x0.8 см3. Для исследования влияния изменения относительной влажности воздуха на влагообмен с поверхностью материала эксперименты проводились при ее усредненных значениях: ф = 50%, 70%и85 %. Причем эксперименты повторялись для каждой скорости ветра из расчетного Кривые сушки при скоростях ветра 1.4 и 3 м/с на рис.2.6 находятся в интервале между кривыми при V= 0 и V— 5 м/с, а при скоростях ветра К= 12, 14 м/с практически совпадают с кривыми при V = 10 м/с, и поэтому не указываются на данном рисунке. В результате экспериментов было выяснено что размеры образцов материалов и изменение относительной влажности воздуха влияет на динамику процесса сушки не значительно по сравнению с влиянием, оказываемым изменением скорости ветра. Исследование процесса сушки влажных капиллярно-пористых строительных материалов проводились при разных скоростях ветра из расчетного диапазона и относительных влажностях окружающей воздушной среды при термодинамическом равновесии (ДГ= О С). В результате обработки полученных экспериментальных кривых сушки для красного кирпича р0 =1800кг/м по нижеизложенной методике получаем экспериментальные зависимости коэффициента влагообмена р@ от потенциала влажности поверхности для образцов различных размеров при разных скоростях ветра и относительных влажностях воздуха (рис.2.7):
Вывод расчетной зависимости коэффициента влагообмена, учитывающей дополнительное влияние скорости ветра
Для вывода расчетной зависимости коэффициента влагообмена, учитывающей влияние основных факторов окружающей среды - температуры, относительной влажности воздуха и скорости ветра можно использовать экспериментально полученную Богословским В.Н. в [13] расчетную зависимость, учитывающую градиент температуры и градиент потенциала где р0 - коэффициент влагообмена, отнесенный к разнице потенциалов влажности, кг/м2-с-В; А/ - перепад температур между поверхностью ограждения и окружающей средой, С; Д0 - перепад потенциалов влажности между поверхностью ограждения и окружающей средой, В. Формула (3.1) очень удобна для использования в расчетах влажностного режима, так как здесь коэффициент влагообмена отнесен к разности потенциалов влажности. Однако она не учитывает влияние третьего важного фактора окружающей среды - скорости ветра, но при использовании в расчетах влажностного режима [133] уже дает неплохое согласование с натурными данными. В первом приближении ее можно использовать в граничных условиях Ш-рода влагообмена с окружающей средой в физико-математической модели влагопереноса А.В.Лыкова с использованием относительного потенциала влажности [70], введя экспериментально полученную автором данной диссертационной работы поправку на ветер.
Таким образом, можно получить обобщающую расчетную зависимость коэффициента влагообмена, учитывающую основные факторы воздействия окружающей среды. Для этого проверим сходимость расчетных зависимостей коэффициентов влагообмена по известной формуле В.Н.Богословского (3.1) при перепадах температур между поверхностью и окружающей средой близких к нулю (АТ=0,001 С) с нашими экспериментальными зависимостями при скорости ветра V = 0 м/с при термодинамическом равновесии (рис.3.2). Как видно из рис.3.2 расчетные зависимости коэффициентов влагообмена по формуле В.Н. Богословского (3.1) хорошо согласуются с полученными экспериментальными кривыми при V= 0 м/с, что подтверждает возможность дальнейшего ее использования в расчетах влажностного режима ограждающих конструкций при безветрии. Для вывода эмпирической зависимости коэффициента влагообмена с учетом скорости ветра (3= /(T,A0,At) можно рассматривать расчетный диапазон скорости ветра VB = 0 - - 10 м/с, на котором выполняется линейная зависимость (3 от VB ( рис.3.3): ветра p= (VB) в доверительном интервале сс=0.95 всех исследованных материалов: ж - газосиликат р0=394 кг/м3; о - пенобетон, р0=588 кг/м3; Д — пенобетон, р0=993 кг/м3; - - керамзитобетон, ро=1350 кг/м3; 0 - керамический кирпич, ро=1800 кг/м3; + - силикатный кирпич, ро=1800 кг/м3; - цементно-песчаный раствор, ро=1800 кг/м3; I - средняя доверительная при 0ПОв= 42 В; II - тоже при 0ПОв=52 В; III-тоже при 0ПОВ=1ООВ Из рис.3.3 видно, что в диапазоне скоростей ветра от 0 до 10 м/с коэффициент влагообмена имеет практически линейную зависимость от скорости ветра. В диапазоне скоростей от 10 до 14 м/с можно отметить незначительный рост коэффициента влагообмена при слабой параболической зависимости, которую можно аппроксимировать прямой. При скоростях свыше 14 м/с рост коэффициента прекращается.
На основании экспериментальных исследований при скоростях ветра от 0 до 10 м/с установлена следующая зависимость коэффициента влагообмена от скорости ветра: Первая составляющая формулы (3.2) учитывает изменение коэффициента при скорости ветра равной нулю и в изотермических условиях определяется так: а при наличии температурного градиента по эмпирической формуле В.Н. Богословского (3.1). Как видно из формулы (3.1) при перепаде температур близком к нулю расчетная зависимость коэффициента влагообмена хорошо согласуется с экспериментально полученной в изотермических условиях эмпирической зависимостью (3.3). Вторая составляющая формулы (3.2) представляет собой эмпирическую поправку на ветер. Ветровой коэффициент ку определяет степень влияния ветра на влагообмен. Он численно равен тангенсу угла наклона кривой Р Ю к оси скоростей ветра и изменяется в зависимости от степени увлажнения поверхности материала (см. рис.3.3). Экспериментальная зависимость ветрового коэффициента ку= &тв) была аппроксимирована логарифмической функцией и получена следующая эмпирическая зависимость в диапазоне увлажнения 42 @ПОВ 100 В: При увлажнения поверхности материала 0ПОВ 42В в силу вступает сорбционная связь влаги со структурой материала и поэтому скорость ветра практически не оказывает влияние на коэффициент влагообмена. В этом диапазоне он определяется по формуле (3.2) без учета поправки на ветер, то есть ветровой коэффициент принимается равным нулю (ку=0). Поскольку, при скоростях свыше 10 м/с влияние ветра на коэффициент становится менее значительно, а при скоростях свыше 14 м/с он стабилизируется (см. рис.3.3), поэтому при VB 10 м/с в пределах ошибки эксперимента Р можно принимать равным (3 при VB= 10 м/с. Таким образом, при достижении скорости 10 м/с наступает предел роста потока влаги через единицу площади поверхности материала за единицу времени. То есть при дальнейшем увеличении скорости ветра количество влаги, проходящее через поверхность материала, граничащую с воздухом, за этот промежуток времени, больше увеличиваться не может. По экспериментальным зависимостям коэффициента влагообмена от потенциала влажности поверхности (рис.3.1) при разных скоростях ветра, в расчетном диапазоне скоростей от 0 до 10 м/с, относительных потенциалов влажности поверхности 0пов=42-гЮО В; относительных потенциалов влажности воздушной среды 0ВОЗД=84-2О.6 В также была получена расчетная зависимость коэффициента влагообмена.
В результате линейной аппроксимации на характерных участках были получены следующие расчетные зависимости: В формулах (3.5), (3.6) pj2 и pf - коэффициенты влагообмена при скорости ветра V = 0 м/с, определяемые по (3.1) или (3.3); pv - коэффициент влагообмена с учетом поправки на ветер, кг/м2-с-В. Однако, как показали дальнейшие расчеты температурно-влажностного режима, произведенные в 4-й и 5-й главах данной диссертационной работы, расчетная зависимость коэффициента влагообмена (3.2), дает более точные результаты, в отличии от (3.5), (3.6). Таким образом, получена расчетная формула коэффициента влагообмена учитывающая воздействие на ограждающую конструкцию 3-х основных климатических факторов - температуры, относительной влажности вохдуха и ветра. Для подтверждения достоверности работы эмпирических формул (3.2), (3.5), (3.6) необходимо их применить в расчетах нестационарного температурно-влажностного режима ограждающих конструкций зданий методом физико-математического моделирования и сравнить результаты расчетов с натурными данными, что было проделано в работах [27, 33] и главе 4 данной диссертационной работы. Результаты расчетов влажностного режима с учетом ветра дают хорошее согласование с натурными данными, а формула (3.2) более точная в отличии от (3.5) , (3.6). Поэтому формула (3.2) может быть использованы при физико-математическом моделировании тепло-влагообмена в ограждающих конструкциях зданий. Так, при перепаде температур поверхности наружного ограждения и наружного воздуха в 1С, диапазоне скоростей ветра от 0 до 10 м/с, потенциалов влажности воздуха от 8 до 20.6 В, потенциалов влажности
Расчет нестационарных температурно-влажностных полей ограждающих конструкций зданий с учетом ветрового режима (численное решение)
Для аппроксимации дифференциальных уравнений тепло-влагообмена (4.1)-т-(4.6) метод конечных разностей [30, 94, 106, 146] предпочтен методу конечных элементов [40, 83, 96, 101]. По сравнению с методом конечных разностей аппроксимация с помощью конечных элементов более сложна и еще недостаточно глубоко разработана для совместного решения уравнений тепло-влагообмена. С другой стороны, главное преимущество конечных элементов, заключающееся в возможности лучшей аппроксимации сложных геометрий, в строительной физике сводится практически на нет, так как большинство областей ограждающих конструкций зданий может быть представлено в виде совокупности параллелепипедов определенной конфигурации.
В нашем случае, для оценки эффекта от ветрового воздействия, достаточно рассмотрение одномерной задачи, что еще больше упрощает решение в конечных разностях. В то же время метод конечных разностей достаточно хорошо разработан в теории теплопроводности [9, 106], что позволяет применить известные методы этой теории к решению уравнения влагопроводности и построить эффективный алгоритм решения задачи. Метод конечных разностей (метод сеток) основан на замене производных их приближенными значениями, выраженными через разности значений функции. Рассмотрим систему дифференциальных уравнений тепло-влагопроводности (4.1)-ь(4.2). В этой системе уравнение влагопроводности (4.2) идентично по форме уравнению теплопроводности (4.1). Вначале решается уравнение теплопроводности, затем по полученному на данном временном слое температурному полю, вычисляется термоградиентная составляющая влагопроводности (сток влаги за счет градиента температуры) и затем решается уравнение влагопроводности аналогично первому уравнению. В уравнении теплопроводности дополнительные источники (стоки) тепла не учитываются, то есть S/r=0 (см. уравнение (4.1)), поскольку модель предназначена преимущественно для долговременных расчетов, от нескольких месяцев до 3-х - 5 лет, вплоть до выхода конструкции на квазистационарный режим эксплуатации. Поэтому процессы влагопереноса в материалах наружных ограждений можно отнести к малоинтенсивным, по сравнению, например, с интенсивной сушкой материалов и теплоту фазовых переходов можно не учитывать, так как ее вклад в температурное поле будет сравним с ошибкой за счет осреднения многолетних данных климатических параметров. Для реализации численного решения задачи, с учетом экспериментальных поправок на ветер, пространственная область конструкции разбивается на множество однородных элементарных ячеек. То есть вводится пространственно-временная сетка.
Дифференциальные уравнения тепло- и влагопереноса приводятся к своим конечно-разностным аналогам по явной или неявной схеме аппроксимации производных. При использовании явной схемы потенциалы на новом временном слое определяются сразу по известным значениям потенциалов на предыдущем слое. Однако, устойчивость такой схемы зависит от некоторых условий которые при использовании подробной пространственной сетки приводят к весьма малым приращениям по времени [106]. При этом объем вычислительных операций как результат требуемых малых приращений по времени намного выше, чем при использовании несколько более сложной неявной схемы. Неявная схема приводит к матричному уравнению, так как все потенциалы должны быть найдены одновременно на новом временном слое. Наиболее просто она решается математическим методом "прогонки". Использование неявной схемы аппроксимации обеспечивает абсолютную сходимость и устойчивость при любых переменных шагах по времени х и пространству h, от их выбора зависит только точность полученного решения. Точность метода "прогонки" - точность второго порядка 0[h2 +/2). По этому для решения задачи выбор был сделан в пользу неявной схемы. Рассмотрим численное решение на примере уравнения влагопереноса (4.2), а уравнение теплопереноса будет иметь аналогичное решение. Для этого приводим уравнение (4.2) к конечно-разностной форме в неявном виде: градиента температуры, определяемый по известному температурному полю на данном временном слое. 102 Отличительной особенностью уравнения (4.23) является то, что при его записи использован сеточный шаблон с узлами «внутри сетки» [44, 45].
Схема сеточного шаблона для конечно-разностной аппроксимации дифференциального уравнения влагопроводности с переменными коэффициентами представлена на рис. 4.1 В этом случае привязка узлов производится не к углам ячеек конструкции, а к геометрическим центрам ячеек, то есть каждый узел размещается в однородной области наружного ограждения (рис.4.1). Это позволяет избежать многочисленных интерполяций коэффициентов переноса и существенно снижает объем вычислительной работы, что особенно важно для задачи, которую мы рассматриваем. Расстояние между соседними узлами сетки (рис.4.1) і и /-1 определяем как: Чтобы упростить алгоритм решения, воспользуемся электротепловой аналогией [45] и перейдем к цепочке влажностных сопротивлений (см. рис.4.1). Выделим в (4.23) сопротивления влагопереносу между соседними узлами с учетом поправки на ветровой напор (3.18) и обозначим их через R&: Для граничных узлов необходимо учитывать условия влагообмена на границе с воздухом с учетом экспериментальной поправки на ветер (3.2): Сопротивление влагообмену на границе слева30) При обратной прогонке по оси ОЛГ(счет узлов ведется так і— і— 1, і - 2, /-3,...,1), по известным прогоночным коэффициентам (4.33), (4.34) и граничным условиям (4.26), (4.27), которые учитывают экспериментальную поправку на ветер (3.2), получаем искомые значения потенциалов. Решения уравнения (4.30) будем искать в виде
Расчет температурно-влажностного режима в однослойной пенобетонной панели
Так, аналогичные исследование температурно-влажностного режима, с учетом влияния ветра на влагообмен, были проведены для однослойной пенобетонной панели. Была исследована ограждающая конструкция - однослойная пенобетонная панель, толщиной - 35 см, из автоклавного пенобетона объемным весом уо=800-ї-850 кг/м3 без наружного фактурного слоя, северной торцевой стороны жилого дома серии 1-468 в г.Свердловске [25]. Ввод здания в эксплуатацию -май месяц. Методом физико-математического моделирования, на основе модели (4.1)ч-(4.6) с учетом экспериментальных поправок на ветер (3.2), (3.18) было рассчитано температурно-влажностное состояние в панели, через 8 месяцев эксплуатации, на январь месяц и результаты сравнивались с имеющимися натурными данными (рис.4.3). За период эксплуатации 8 месяцев, с мая по январь данная конструкция высохла с начальной средней массовой влажности - 26 % до средней массовой влажности - 19 %. Что превышает предельно допустимую среднюю влажность по нормам СНиП [139] для данной конструкции (WcpHOpM=6.0%). Рис.4.3.
Сравнение результатов расчетов температурно-влажностного состояния в однослойной пенобетонной панели -1 с натурными данными: 2 - температурное поле, в январе после 8-ми месяцев эксплуатации, рассчитанное по СНиП [139]; 3 - тоже, рассчитанное с учетом натурной влажности; 4, 8 - соответственно поля потенциалов влажности и массовых влагосодержаний на момент ввода здания в эксплуатацию (май); 5, 9 — тоже, после 8-ми месяцев эксплуатации (январь), рассчитанные без учета влияния ветра на влагообмен; 6, 10 - тоже, рассчитанные с учетом влияния ветра на влагообмен; 7, 11 -тоже, по натурным данным [25] Таким образом, за данный период эта конструкция освободилась далеко не от всей производственной влажности и еще не вышла на квазистационарный режим. Сушка ее еще продолжается. Расчетные сопротивления теплопередаче данной панели, с учетом коэффициента теплотехнической однородности г = 0.9, через 8 месяцев эксплуатации в январе составляют: Roi=l. 060 [м2-С/Вт] - по СНиП [139]; Ro2= 1.004 [м2-С/Вт] - по фактическому полю влагосодержании (натурные данные); Ro3=0.984 [м2-С/Вт] - по расчетному полю влагосодержании с учетом влияния ветра на влагообмен, R O.966 [м2-С/Вт] - по расчетному полю влагосодержании без учета влияния ветра на влагообмен. Так, фактические потери тепла через однослойную пенобетонную панель (рис.4.3) через 8 месяцев эксплуатации жилого дома в январе превышают прогнозируемые по СНиП [139], аналогично, как и в предыдущем рассматриваемом варианте - однослойной керамзитобетонной панели (рис.4.2).
Примечательно то, что сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции, по расчетному полю влагосодержании с учетом влияния ветра на влагообмен - RQ3, так же достаточно точно согласуется с фактическим сопротивлением теплопередачи этой конструкции - Ro2, в отличии от расчетного сопротивления R . Еще одной характерной деталью является то, что расчеты температурно-влажностного состояния, в однослойных ограждающих конструкциях (керамзитобетонной и пенобетонной панелях), методом физико-математического моделирования с использованием модели (4.1)ч-(4.6) с учетом экспериментальных поправок на ветер (3.2), (3.18) показывают, что наружная поверхность конструкций находится в более сухом состоянии, нежили дают расчеты без учета ветра, что также подтверждают натурные данные [25, 108]. Это связано с воздействием ветра на наружную поверхность ограждений, следствием чего является более интенсивная сушка конструкции у наружного ее края. Таким образом, наружная поверхность находится в более благоприятном влажностном состоянии, чем предполагают расчеты без учета влияния ветра на влагообмен. Однослойные стеновые панели являются наиболее простым вариантом ограждающих конструкций зданий. Вызывает практический интерес исследование влияния ветрового режима на тепло-влагообмен в многослойных ограждениях, например, в таких как 3-х слойные стеновые панели. Так, аналогичные исследование влияния ветра на температурно-влажностное состояние были проведены для 3-х слойной ограждающей конструкции. Была исследована 3-х слойная стеновая панель, утепленная автоклавным газобетоном, северной торцевой стороны жилого дома серии 1-464 в г.Риге. Ввод здания в эксплуатацию февраль месяц. Рассчитано температурно-влажностное состояние в панели через 15 месяцев эксплуатации в мае, результаты сравнивались с имеющимися натурными данными (рис.4.4). Через 15 месяцев после сдачи дома в эксплуатацию, слой газобетона высох с начальной средней массовой влажности - 37.8% до средней массовой влажности - 23.2%. Что превышает предельно допустимую среднюю влажность по нормам СНиП [139] для газобетона (WcpHopM=6.0%). То есть за данный период эта конструкция освободилась далеко не от всей производственной влажности и еще не вышла на квазистационарный режим. Сушка ее еще продолжается (рис.4.4). Оценив влажностное состояние в 3-х слойной панели через 15 месяцев после ввода здания в эксплуатацию можно сделать вывод, что расчеты методом физико-математического моделирования, на основе модели (4.1)-ь(4.6), с учетом экспериментальных поправок на ветер (3.2), (3.18) лучше согласуются с натурными данными [25], нежели расчеты без учета ветра (см. рис.4.4). (кривая 11) хорошо согласуются между собой. Расчетные сопротивления теплопередаче данной панели, с учетом коэффициента теплотехнической однородности г = 0.75, через 15 месяцев эксплуатации в мае составляют: Roi=0.906 [м2-С/Вт] - по СНиП [139]; Ro2=0.880 [м2-С/Вт] - по фактическому полю влагосодержаний (натурные данные); Ro3=0.884 [м2-С/Вт] - по расчетному полю влагосодержаний с учетом влияния ветра на влагообмен, =0.869 [м2-С/Вт] - по расчетному полю влагосодержаний без учета влияния ветра на влагообмен. Таким образом, фактические потери тепла ограждающей конструкцией превышают прогнозируемые по СНиП [139], но сушка продолжается еще 2 года до выхода данной конструкции на квазистационарный режим.
В отличии от расчета без учета влияния ветра на влажностный режим, расчеты с применением экспериментальных зависимостей (3.2), (3.18) показывают, что наружная поверхность 3-х слойной панели, так же как и в случае с однослойными конструкциями (см.рис.4.2 и рис.4.3), находится в более сухом состоянии, что также подтверждают натурные данные [25]. Это доказывает положительное влияние ветра на сушку поверхностного слоя ограждения и говорит о том, что долговечность наружного слоя конструкции реально выше, нежели на основе расчетного влажностного состояния без учета ветра. Таким образом, можно использовать расчеты нестационарного температурно-влажностного режима на основе вышеуказанной модели, с учетом влияния ветра на тепло-влагообмен, для прогноза влажностного состояния ограждающих конструкций для любого климатогеографического района с большой степенью достоверности. На основе полученных данных о фактическом влажностном состоянии для наиболее не благоприятного начального периода эксплуатации ограждающих конструкций здания, еще на стадии проектирования можно организовывать эффективную теплозащиту здания, принимать своевременно меры, которые позволят понизить эксплуатационные затраты на перерасход тепла на начальном периоде до выхода конструкции на квазистационарный режим (3-5 лет). Также, основываясь на расчетных данных температурных и влажностных полей в ограждении, полученных с учетом ветра, можно с большей степенью достоверности применять существующие методики расчета долговечности материалов ограждающих конструкций зданий и рассчитывать их срок службы.
Наряду с учетом влияния ветрового режима на влагообмен, при оценке температурно-влажностного состояния ограждающих конструкций зданий, необходимо учитывать влияние фильтрации воздуха через ограждение, поскольку фильтрация воздуха, равно как и чрезмерное влагосодержание в ограждении, оказывает существенное отрицательное влияние на его температурный режим в холодный период эксплуатации зданий. Рассмотрим влияние фильтрации на температурный режим ограждения, с учетом фактического влагосодержания, на примере еще одной многослойной конструкции.
Похожие диссертации на Исследование влияния ветрового режима на тепло-влагообмен ограждающих конструкций зданий
