13 Дек 11 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОЗАЩИТЫ, ТЕПЛОУСТОЙЧИВОСТИ И ВЛАЖНОСТИ ОБЛЕГЧЕННЫХ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ

Термическое сопротивление облегченных ограждающих конст­рукций по поверхности панелей обычно превосходит требуемые зна­чения. Но наличие ребер жесткости существенно снижает их при­веденное сопротивление теплопередаче. Принимаемый обычно ко­эффициент теплообмена на внутренней поверхности (согласно СНиП II-3-79*) 8,7 Вт/(м2-К) соответствует лучистому теплооб­мену между поверхностями со степенью черноты е=0,91 (штука­турка, оклейка обоями, побелка). Степень черноты внутренних об­шивок облегченных ограждающих конструкций гораздо ниже (на­пример, обшивок из алюминиевых сплавов е~0,11). При средней температуре внутренней поверхности наружных и внутренних стен коэффициент пропорциональности лучистого теплообмена ал~ ~0,6 (м2-К)/Вт, а суммарный коэффициент теплоотдачи 5 Вт/(м2-К).

В мобильных (инвентарных) зданиях, внутренняя поверхность ограждающих конструкций которых обычно оклеена обоями или побелена, коэффициенты теплоотдачи имеют меньшие значения. Это обусловлено тем, что в капитальных зданиях поверхность од­ной, максимум двух наружных ограждающих конструкций воспри­нимает лучистый поток от всех остальных конструкций, поэтому как ал, так и а ограждений капитальных зданий выше, чем ана­логичных ограждений инвентарных, у которых в некоторых случа­ях все шесть ограждений наружные. При теплотехнических расче­тах облегченных ограждающих конструкций необходимо специаль­но определять коэффициент теплоотдачи между внутренней поверх­ностью и окружающей средой.

Тепловой баланс любой поверхности k в помещении определя­ют уравнением

Q, ft + QKft + <=0. (IV. 19)

Лучистая Qnk, конвективная QKft и кондуктивная Q%.k состав­ляющие теплообмена на поверхностях в помещении могут изме­няться во времени, иметь разные значения и знак, но уравнение (IV.19), отражающее закон сохранения энергии, неизменно для ста­ционарных и нестационарных условий теплообмена любых видов ограждающих конструкций.

Воздух помещения при расчете лучистого теплообмена между поверхностями обычно считают лучепрозрачной средой. Каждая поверхность в помещении отдает тепло излучением и поглощает лу­чистое тепло, исходящее от окружающих поверхностей. Коэффици­ент пропорциональности лучистого теплообмена рассчитывают по формуле

1 (т^р/100)4 —(т^Р/100)4

А"к 1/C|+VF2(1/Cfc-1/C0) (Гпр_ гпр} > (IV-2°)

Где С|,СЛ, С0 — соответственно коэффициенты излучения поверх­ностей ограждений, находящихся в лучистом теплообмене с k-м ограждением, поверхности 6-го ограждения, абсолютно черного те­ла, Вт/(м2-к4); Fk, Fy. —соответственно площадь внутренней по­верхности k-ro ограждения и суммарная остальных ограждений в помещении, м2; т^ , т|!р — соответственно приведенные температу­
ры внутренних поверхностей /г-го ограждения и средняя остальных ограждений в помещении, К.

В формуле (IV.20) следующие упрощения. Не учтено много­кратное отражение лучистых потоков от поверхностей ограждаю­щих конструкций так как отраженное излучение заметно меньше собственного излучения ограждения [14]. Принято, что коэффи­циент излучения k-й поверхности, учитывающий долю лучистого потока, падающего на k-ю поверхность от всего потока, излучаемо­го поверхностями ограждений помещения, равен 1 [14]. Указан­ные упрощения вносят погрешность в результаты расчета порядка

5%-

Наряду с излучением в общем обмене тепла в помещении игра­ет роль конвекция. В большинстве случаев обмен теплом между воздухом и нагретыми и охлажденными поверхностями происходит в результате естественной конвекции в ограниченном объеме по­мещения.

Среднее значение коэффициента свободного конвективного теп­лообмена на вертикальной поверхности ограждающих конструкций рассчитывают по выражению [14]

Ak — 1,43 yrAt.

Движение воздуха в режиме свободной конвекции около гори­зонтальных поверхностей отличается от движения у вертикальных. Если горячая поверхность обращена вверх или холодная вниз, то воздух поступает в средние ее части только по границам своеоб­разных шестигранников, а отходит от нее в их центре.

Для подогретой горизонтальной поверхности, обращенной вниз, или холодной, обращенной вверх, интенсивность движения воздуха и конвективного теплообмена незначительна.

Средние значения коэффициента свободного конвективного теп­лообмена на горизонтальной поверхности рассчитывают по форму­ле (IV.21), но коэффициент принимают равным 1,87 при направ­лении потока тепла снизу вверх или 1 — сверху вниз.

Суммарный коэффициент теплоотдачи, характеризующий общий теплообмен поверхности ограждающей конструкции с окружающей средой, определяют по следующим формулам: при tB= tR

«л = + '

{tR — средняя радиационная температура помещения, равная

*R-XZ ■k — аль-------- —f - ак,. K t — тпр k

(VI.23) (IV.24)

При ія Ф tR

Коэффициент теплообмена, рассчитанный по формуле (IV.24), определяет тепловой ПОТОК ПО зависимости Qk=ak(^B— Если температурные условия в помещении tn [13], то тепловой по­ток на поверхности ограждения Q = a'k (itn — т^р Fk, где

= <4 Т^" + <4 J^k • (IV-25>

" Ч п ч

Приведенная температура внутренней поверхности ограждения, определяющая интенсивность теплообмена между человеком, на­ходящимся в помещении, и ограждением

ТвГ = tB — . (IV.26)

Для облегченных многослойных ограждающих конструкций, ко­торые отличаются от традиционных ограждений сложной конфигу­рацией теплопроводных включений и отношением теплопроводно­сти отдельных их участков до 104, простых и надежных зависимо­стей расчета /?0пр и твтіп пока нет. Указанные теплотехнические па­раметры определяют расчетом стационарных температурных полей ограждающих конструкций.

Все методы расчета плоских стационарных температурных по­лей основаны на решении системы дифференциальных уравнений Лапласа типа (1.2). Теоретическое решение этой системы для плос­ких сечений реальных конструкций связано с трудностями. Поэтому наиболее универсальный и достоверный метод решения системы уравнений Лапласа — конечно-разностный.

Для расчетов двухмерных стационарных температурных полей ограждающих конструкций разработаны методики и программы их реализации на быстродействующих ЭВМ [41, 62]. Результаты рас­чета представляют в виде температурного поля характерных сече­нии ограждающей конструкции. Для каждого характерного сече­ния рассчитывают среднюю температуру по формуле

Тв.= V тв.. Аі/ УАІ, (IV.27}

*=1 і=1

Где %в.. — температура внутренней поверхности в і-й точке; А і — шаг интегрирования.

Приведенную температуру внутренней поверхности определяют по формуле

J _ J

Твпр= £тв//уі; Fj, (IV.28)

I=i 1 м

Где Fj — площадь /-го характерного сечения.

Приведенное сопротивление теплопередаче рассчитывают по формуле (IV.26).

Расчет температурного поля облегченной ограждающей конст­рукции проводят при граничных условиях III рода на внутренних

И наружных ее поверхностях и IV рода — на стыках между ее сло­ями итерационным методом в приведенной ниже последователь­ности.

Задаются значениями твпр, /?опр и определяют ав по формуле (IV.26). Рассчитывают температурное поле облегченной огражда­ющей конструкции в характерных ее сечениях, включающих тепло­проводные включения (ребра жесткости, обрамления панелей), а также стыки между панелями при данных tB и tH и рассчитанном ав. Определяют твпр по формулам (IV.27)...(IV.28) и /?0пр по фор­муле (IV.26). По найденному значению твпр рассчитывают ав по формуле (IV.24). При (а"—а"-1) >0,1 ап расчет повторяют.

Итерационный расчет основных теплотехнических показателей считают законченным при выполнении условия

(ап-1 _ ос") < 0, la" . (IV.29)

Методы аналитического учета влияния воздухопроницаемости стыковых соединений облегченных многослойных ограждающих конструкций на их температурный режим не разработаны. При расчете температурного поля стыкового соединения на ЭВМ, на­пример, по программам [41] вводят в стык теплопроводное вклю­чение в виде пластины толщиной 1 мм с переменной теплопровод­ностью (А,=20...60 Вт/(м-К)), соответствующее расходу воздуха через стык G = 1...3 кг/(м-ч) [22]. Влияние инфильтрации холод­ного воздуха через стыки вшпунт трехслойных металлических пане­лей «сэндвич» (ГОСТ 23486—79, тип I) на температурное поле их внутренней поверхности можно рассчитывать по формуле (IV.10). Коэффициент v для стыков указанных панелей экспериментально определен А. П. Кротовым [22] и приведен в табл. IV.7.

Таблица IV.7. Значения коэффициента v стыков трехслойных металлических панелей (ГОСТ 23486—79, тип I) Толщина па­нели. мм <В-*Н' °С V при Расходе Воздуха С, Кг/(м-ч) 0.2 0.5 1 1 « 2 1 з 61,6 40 50 60 70 0,46 0,40 0,36 0,33 0,76 0,67 0,6 0,56 1,22 1,1 1 0,9 1,56 1,4 1,28 1,17 1,86 1,7 1,56 1,44 2,37 2,18 2,02 1,86 81,6 50 0,52 0,8 1,3 1,75 2,12 2,75 60 0,5 0,77 1,22 1,62 1,97 2,55 70 0,49 0,75 1,15 1,52 1,85 2,4 80 0,48 0,72 1,07 1,42 1,72 2,27

Влияние воздухопроницаемости стыковых соединений облегчен­ных ограждающих конструкций на величину их приведенного сопро­тивления теплопередаче учитывать по формуле [23] Ro^ =Ronpru, где ги — эмпирический коэффициент, учитывающий влияние воз­духопроницаемости, экспериментально определенный А. П. Крото­вым [22] (табл. IV.8).

Таблица IV.8. Значения поправочного коэффициента г„

Гнпри сопротивлении теплопередаче основного поля Rn. М2-К/Вт 0,5 20 0,916 0,843 0,783 0,729 30 0,914 0,837 0,774 0,719 40 0,908 0,833 0,768 0,712 60 0,906 0,82 0,753 0,695 80 0,904 0,808 0,738 0,679 1 20 0,843 0,723 0,643 0,573 30 0,838 0,72 0,632 0,563 40 0,832 0,712 0,631 0,553 60 0,82 0,695 0,63 0,533 80 0,807 0,689 0,583 0,512 2 20 0,727 0,573 0,472 0,402 30 0,72 0,563 0,462 0,392 40 0,712 0,553 0,452 0,382 60 0,695 0,533 0,432 0,363 80 0,689 0,513 0,412 0,345

Теплоустойчивость многослойных ограждающих конструкций определяют по Yi, Si, aR, ан в зависимости от так называемого слоя резких колебаний, для которого D= 1 и толщина б=K/s. Слой мень­шей толщины называют тонким, а большей — толстым. Деление это условно, так как зона перехода к регулярным колебаниям захва­тывает слой материала значительно большей толщины. В расчете теплоустойчивости не учитывается также и несовпадение во вре­мени колебания теплового потока и температуры в отдельных се­чениях ограждения.

При расчете многослойных конструкций понятие «слой резких колебаний» или «активный» используют для характеристики про­цесса в зоне нерегулярных колебаний. В той части ограждения, где происходят регулярные колебания в пределах слоя толщины б, рас­полагается 1/8,9 длины волны, а амплитуда температурных коле­баний уменьшается приблизительно в два раза. При расчете коэф­фициента теплоусвоения в многослойных ограждающих конструк­циях учитывают только активную часть ограждения, которую зах­ватывает слой резких колебаний {D=1). При расчете слои нуме­руют в направлении распространения температурной волны (как правило, снаружи внутрь ограждения).

Затухание расчетной амплитуды колебаний температуры наруж­ного воздуха v в многослойной ограждающей конструкции рассчи­тывают по формуле

У = Q.9.-W К + *х> ^ + (Sn + (Yn + Eg (Si + Yx) (Ss + Y2)... (S„ + Yn) aH

При определении Yi бывают такие характерные случаи.

Воздухопроницае­мость, кг/(м2-ч)

Условная толщина однородного материального слоя і в конст­рукции равна или больше единицы, т. е. 1, тогда Yi=Si. Слой
резких колебаний захватывает второй от заданной поверхности ма­териальный слой, т. е. только тогда

0V.31)

Слой резких колебаний захватывает третий, четвертый и т. д. слои, т. е. Di--Di+i < 1, тогда необходимо учесть влияние на У/ всех материальных слоев, захваченных резкими колебаниями, и

Где У,+1 — коэффициент теплоусвоения части ограждения начиная от поверхности Ї+1 материального слоя. Определяется по формуле (IV.31) с заменой индексов і на i+1, a г+1—на і--2 в зависи­мости от того, сколько материальных слоев от сечения t—|— 1 захва­тывает слой резких колебаний.

Условная толщина всего ограждения меньше единицы. Расчет ведут по формуле (IV.32). Коэффициент теплоусвоения последне­го п-го слоя в ограждении определяют по формуле

У = » в. (IV.33)

1 + Я„ан

Если слой ограждения не обладает тепловой инерцией (воздуш­ная прослойка), то

У г

(IV.34)

У _ ' 1+1

Ограждение подвергается с обеих сторон воздействию периоди­ческих температурных колебаний (внутренние конструкции, перего­родки, междуэтажные перекрытия, ограждения холодильных камер с переменным режимом) и его условная толщина принята меньше

П

Двух, т. е. 2 Di<Z2. Ограждение делят на две части с одинаковой /=і

Условной толщиной. Расчет теплоусвоения ведут с каждой поверх­ности до слоя т, в пределах которого прошла граница раздела — ось тепловой симметрии Ут определяют по общей формуле (IV.32), считая на оси симметрии коэффициент теплоусвоения равным нулю. Поэтому

= + ' = ЯА, (IV. 35)

Где Sm — коэффициент теплоусвоения материала слоя, через кото­рый прошла граница раздела; Rm — термическое сопротивление ча­сти слоя т до оси симметрии.

Распределение влагосодержания по толщине многослойных ог­раждающих конструкций на стыке между слоями определяют в граничных условиях IV рода. При описании потока влаги через ог­раждение уравнением (1.3) граничные условия IV рода представ­ляют в виде

Их-^-1 . 0V.36)

Дх1 х=1 дх *=/

Єг | Х=1 = Є2 | *=/,

Где индексы 1 и 2 соответствуют слоям материала на стыке.

В условиях стационарной диффузии водяного пара влажност - ный режим ограждающих конструкций оценивают графоаналити­ческим методом. Для этого ограждение вычерчивают в масштабе сопротивления паропроницанию его слоев. Точки, соответствующие значениям парциальных давлений внутреннего и наружного возду­ха еъ, ен, соединяют прямой, а при пересечении этой линии евеи с линией измерения парциального давления насыщенного водяного пара Е из точек ев и ен проводят прямые, касательные [53].

Метод оценки влажностного состояния многослойных конструк­ций в условиях стационарной диффузии водяного пара можно при­менять только при условии, что перенос влаги происходит лишь в виде пара. Для учега переноса влаги в виде жидкости, влажностное состояние конструкций рассчитывают на основе потенциала влаж­ности. Перенос массы (влаги) в этом случае описывают урав­нением (1.6), а граничные условия:

Условие III рода ат (Є (х = 0) — Єв) = — и d6(* = 0) ; (IV.37)

Дх

Условие IV рода аЄі(* = 0 = х2 = Q ; (IV.38)

Дх дх

0! I х=1 = 02 | х=1,

Где ат — коэффициент влагообмена, кг/(м2-ч-°В), для условий ес­тественной конвенции, оцениваемый по формуле [14]

Ат ^ 2,3 ■ Ю-3 Д^Де2'5.

Здесь At и Д0 — соответственно разность температуры и разность потенциала влажности воздуха и поверхности ограждения.

Коэффициент влагопроводимости материалов у, в значительной степени зависит от их потенциала влажности. Поэтому влажност - ный режим рассчитывают способом последовательного приближе­ния [14]. Сечение ограждения делят на элементарные слои, при этом их границы должны совпадать с границами материальных слоев конструкции.

Задаются линейным распределением потенциала влажности по сечению ограждающей конструкции. В пределах каждого слоя ко­эффициент влагопроводимости т принимают постоянным, соответ­ствующим потенциалу влажности слоя 0/. Общее сопротивление

П

©лагопередаче конструкции определяют по формуле Re — V 6,/xt-

I=i

(сопротивлениями влагообмена на поверхности конструкции обыч­но пренебрегают). Соответствующий ему поток влаги

. __ 6В — 8Н Re

Расчет ведут от слоя к слою. Коэффициент влагопроводимости первого слоя, граничащего с внутренней поверхностью, принимают по потенциалу влажности внутренней поверхности и вычисляют зна­чение 62 на противоположной границе слоя (на границе со вторым слоем)

Е, = е1-/.

Полученное значение 02 — исходное ДЛЯ определения И2 в пре­делах второго слоя. Расчет продолжают до последнего слоя, гра­ничащего с наружным воздухом. Если полученное для наружной поверхности значение 0„ отличается от заданного 0Н, то в приня­тое значение потока влаги / вводят поправку и расчет повторяют до тех пор, пока вычисленное значение 0„ не будет достаточно близ­ко 0„.

При необходимости учета изменения влажности материалов ог­раждающих конструкций во времени рассчитывают нестационарные влажностные поля. При описании процесса переноса влаги урав­нениями (1.3), (1.4) в основу расчета принимают метод последо­вательного увлажнения, разработанный К. Ф. Фокиным [54], а при описании процесса уравнением (1.6) —метод В. Н. Богословского [14]. Выполнение практических расчетов нестационарной влагопе - редачи вручную весьма трудоемко. Использование ЭВМ для этих целей [40] позволяет сократить затраты времени до минимума.