Моделирование термического режима вертикальных ограждающих конструкций зданий

Автор: Гиясов А.И., Аниканова Т.В.

Журнал: Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Строительство и архитектура @vestnik-susu-building

Рубрика: Строительные конструкции, здания и сооружения

Статья в выпуске: 3 т.24, 2024 года.

Бесплатный доступ

В энергетическом аудите термического режима конструктивной оболочки зданий решающую роль играет исследование температурных изменений на поверхности и внутри конструкции. Результаты исследования показали, что применяемый современный программный комплекс позволяет с достаточно высокой точностью моделировать поведение ограждающих конструкций при изменении климатических параметров окружающей среды. В работе рассмотрены вопросы влияния изменений наружной температуры воздуха от +10 °С до -50 °С на неоднородные уязвимые части зданий. С помощью моделирования изменений температур в разных точках на поверхности ограждения снаружи, на поверхности внутри и в толще вертикальных и горизонтальных конструкций была установлена математическая зависимость между температурой наружного воздуха и температурой поверхности ограждения в уязвимых частях (опирание балконной плиты, опирание плиты перекрытия, в углах оконного проема). Установлено, что при снижении наружной температуры до -50 °С значения температур на поверхности ограждающей конструкции и внутри изменяются по линейным математическим зависимостям с высоким коэффициентом детерминации. При положительных температурах наружного воздуха изменение температур вертикальной ограждающей конструкции с оконным проемом происходит по степенной зависимости. Для горизонтальных ограждающих элементов зависимость изменения температуры представляется возможным обобщить y = kx + b . Результаты исследования предопределяют предпосылки для разработки ряда конструктивных решений уязвимых частей зданий, направленные на повышение теплозащитных качеств ограждающих конструкций.

Еще

Теплозащита, температура ограждающих конструкций, уязвимые части зданий, математическое моделирование, мостик холода, энергоаудит, факторы климата

Короткий адрес: https://sciup.org/147244620

IDR: 147244620 | DOI: 10.14529/build240301

Текст научной статьи Моделирование термического режима вертикальных ограждающих конструкций зданий

Исследованию и повышению теплозащиты «мостиков холода» в последнее время уделяется большое внимание [1–10]. Несмотря на многочисленное количество фундаментальных работ [11– 14], появление современного оборудования и программных комплексов позволяет установить новые закономерности и прогнозировать поведение той или иной ограждающей конструкции в различных условиях. Исследования влияния температурных перепадов на поверхности и внутри конструкции позволят прогнозировать поведение материалов, предотвратить их повреждение. В настоящее время подобные исследования проводятся отечественными и зарубежными авторами [15–21]. К наиболее уязвимым частям здания с точки зрения теплопотерь относятся оконные и балконные проемы, места установки перемычек, сопряжения балконных плит с междуэтажными перекрытиями.

Целью данной работы является исследование изменений температуры на поверхности в разных частях конструкции и внутри ограждения для анализа теплофизических характеристик конструктивной оболочки зданий и прогнозирования их дальнейшего поведения.

Современные программные комплексы позволяют с высокой точностью моделировать теплофизические свойства наружных ограждающих конструкций при различных параметрах окружающей среды. Расчет и анализ изменений температуры в разных частях ограждающих конструкций позволит прогнозировать их термические изменения. В работе будут рассмотрены вопросы влияния изменений наружной температуры воздуха на теплофизические свойства уязвимых частей наружных ограждений зданий с целью определить математические зависимости изменения расчетных значений температур на разных поверхностях конструкции от температуры наружного воздуха. Предполагается, что между температурой наружного воздуха и температурой поверхности ограж-

дения в уязвимых частях (опирание балконной плиты, опирание плиты перекрытия, в углах оконного проема), а также между температурой наружного воздуха и температурой в толще вертикальных и горизонтальных конструкций (несущий слой стены, балконная плита, плита перекрытия) будет наблюдаться определенная корреляция.

Методы

Моделирование и расчет теплотехнических параметров ограждающих конструкций проводился с использованием программного комплекса COMSOL Multiphysics 6.1. В расчетах условно нестационарный режим приведен к стационарному. Температура воздуха внутри помещения 20 °С, температура воздуха снаружи изменялась от +10 до –50 °С с интервалом 5 °С.

В качестве объекта для анализа теплотехнических параметров ограждающих конструкций здания и оценки его энергоэффективности был выбран девятиэтажный жилой дом с типовым объемно-планировочным и конструктивным решением. Энергетический аудит термического режима был проведен для элемента стены с окном и места стыка плиты перекрытия и балконной плиты как для наиболее уязвимых мест оболочки здания. В табл. 1 приводятся общая площадь ограждающей оболочки здания и площади уязвимых мест. Процентное соотношение слабых мест ко всей ограждающей оболочки здания составляет 53 %.

Таблица 1

Процентное соотношение уязвимых мест оболочки здания

Наименование	Площадь
Наименование	м²	%
Ограждающая оболочка здания	8104,62	100
Оконные проемы	1188,0	14,7
Балконные проемы	1801,8	22,2
Узел плиты перекрытия	1306,8	16,1

Таблица 2

Теплотехнические характеристики материалов

Материал	Средняя плотность, кг/м³	Коэффициент теплопроводности, Вт/м °С	Удельная теплоемкость, Дж/(кг °С)
Автоклавный газобетон	400	0,096	840
Утеплитель – пенополиуретан	145	0,036	920
Сложный раствор	1000	0,26	880
Железобетон	2400	1,52	1130
Стеклопакет	2500	0,76	840
Оконное обрамление	1600	0,2	1050

Таблица 3

Изменения расчетных значений температур на разных поверхностях конструкции (оконный проем) в зависимости от температуры наружного воздуха

№ п/п	Изменение температуры	График						Уравнение зависимости, коэффициент детерминации
1	2	3						4
1	Температура на поверхности стены снаружи в зависимости от температуры наружного воздуха		1 a a					y = 0,9936 x + 0,1166 R² = 1
		-6			А		0
			0 -4	А А ф ' 0 -20 0 1 1 АП		2
			-100
2	Температура в углах окна снаружи в зависимости от температуры наружного воздуха		СП					y = 1,0135 x + 1,8948 R² = 0,9981
		-6			50 ₀0		0
			0 -4			2
					-50 1 АА
			-100
3	Температура в несущем слое (200 мм) в зависимости от температуры наружного воздуха							y = 0,3018 x + 14,078 R² = 0,9953
		-					0
			0-	0 -2	0 0 < ПА	02

4	Температура на поверхности стены внутри в зависимости от температуры наружного воздуха		пл					y = 0,025 x + 19,518 R²= 0,9917
					19
					1 о
		-6	0 -40 -20 0 2				0
5	Температура на поверхности перемычки внутри в зависимости от температуры наружного воздуха		ЛА					y = 0,0793 x + 18,439 R² = 0,9993
					20	1 А А---
			—	WO*	л
		_-	60 -40 -20 0 2				0

а)

Рис. 1. Модель элементов конструкций с сеткой конечных элементов: а – оконного проема; б – стены с опиранием плиты перекрытия и балконной плиты

Изменение температур определяли в нескольких точках: на поверхности снаружи, в углах оконного проема снаружи, в несущем слое простенка на удалении 200 мм от внутренней поверхности стены; на поверхности стены внутри, на поверхности перемычки внутри, в углах примыкания плиты к стене, внутри балконной плиты и внутри плиты перекрытия.

На рис. 1 приведены модели стены с оконным проемом и модель стены с опиранием плиты перекрытия и балконной плиты с сеткой конечных элементов.

Размеры исследуемого блока наружной ограждающей конструкции с оконным проемом 3000 x 2800 мм, оконный проем 1500 х 1500 мм располагается по центру. Размеры балконной плиты 3000 х 1500 мм, плита перекрытия 3000 х 3000 мм. В табл. 2 приведены используемые материалы и их теплотехнические характеристики.

Результаты и обсуждения

Графический результат расчета температур на поверхности стены с окном при температуре наружного воздуха –10 °С представлен на рис. 2.

В работе [22] проводится сравнительный термический анализ вертикальных ограждающих конструкций под воздействием повышенных температур, были установлены критические температуры

наружной поверхности конструкции, при которых внутренняя поверхность ограждения перегревается, что приводит к снижению комфортных условий в помещении. Критические температуры наружной поверхности конструкции изменялись от +30 до +50 °С, расчетные температуры были в несущем слое на удалении 200 мм от внутренней поверхности стены и на поверхности стены внутри.

В табл. 3 представлены изменения расчетных значений температур на разных поверхностях конструкции и внутри в зависимости от температуры наружного воздуха. Наружная температура воздуха изменялась от +10 до –50 °С, температура воздуха внутри помещения была постоянной и составляла +20 °С.

Из представленных расчетных данных (см. табл. 3) видно, что во всех рассмотренных случаях при изменении температуры наружного воздуха от +10 до –50 °С на поверхности или внутри конструкции температура изменяется по прямолинейной зависимости (в общем виде уравнение можно представить в виде: y = kx + b ). Величина достоверности аппроксимации во всех рассмотренных случаях имеет высокое значение (R² изменяется от 0,9917 до 1). Расчетные значения температур на разных поверхностях и внутри конструкции при положительных температурах поверхности ограждения снаружи изменяются

а)

б)

Рис. 2. Графический результат расчета внутренней (а) и наружной (б) поверхностей стены с оконным проемом

Окончание табл. 3

1 6

Температура в несущем слое (200 мм) в зависимости от температуры на поверхности ограждающей конструкции снаружи

Температура на поверхности стены внутри в зависимости от температуры на поверхности ограждающей конструкции снаружи

20 30 40 50 60

50			___	►
0	◄		y = 2	,563x^0,6388

20 30 40 50 60

y = 11,401 е ^0,0269 ^x R² = 0,9773

y = 2,563 x ^0,6833R²= 0,9738

по степенной или экспоненциальной зависимости в зависимости от расположения расчетных точек. Температура на поверхности ограждающей конструкции изменялась от +30 до +50 °С. Величина достоверности аппроксимации составляет более 0,97. Расчеты показывают, что под воздействием положительных и отрицательных температур изменения температур внутри конструкции происходят по-разному.

Графический результат расчета изменения температур конструкции при температуре наружного воздуха –10 °С представлен на рис. 3.

В табл. 4 приведены результаты расчета изменения температур стены в местах опирания балконной плиты и плиты перекрытия при изменении наружной температуры от 0 до –50 °С, температура воздуха внутри помещения при этом была постоянной и составляла +20 °С.

Из данных, представленных в табл. 4, видно, что во всех рассмотренных случаях при изменении температуры наружного воздуха до –50 °С температуры на поверхности и внутри конструкций изменяются прямолинейно (в общем виде уравнение можно представить в виде: y = kx + b ). Величина достоверности аппроксимации во всех рассмотренных случаях имеет высокое значение (R² изменяется от 0,9796 до 0,9995). Максимальная разность

температур сверху и снизу стыков плиты перекрытия со стеной наблюдалась при 0 °С и составляла 2,17 °С. Для стыков балконной плиты со стеной максимальная разность температур сверху и снизу наблюдается при –40 °С и составила 0,71 °С.

Рис. 3. Графический результат расчета изменения температур конструкции

Таблица 4

Изменения расчетных значений температур на разных поверхностях конструкции (опирание плиты перекрытия и балконной плиты) в зависимости от температуры наружного воздуха

№ п/п	Изменение температуры	График	Уравнение зависимости, коэффициент детерминации
1	2	3	4
1	Температура на поверхности	20	y = 0,3979 x + 12,093
	стены снаружи в зависимости		R² = 0,9948
	от температуры наружного воз-
	духа	0 -60 -40 -20 0
		-20

Продолжение табл. 4

1	2	3					4
2	Температура в несущем слое (200 мм) в зависимости от температуры наружного воздуха		пл				y = 0,2923 x + 14,837 R² = 0,9978
		-6			_ А-Ф1Л 10

			▼ 0 0 -40 -20			0
3	Температура на поверхности стены внутри над плитой в зависимости от температуры наружного воздуха		пл				y = 0,226 x + 15,766 R² = 0,9981

					10 л
		-6	0 -40 -20			0
4	Температура на поверхности стены под плитой в зависимости от температуры наружного воздуха		пл				y = 0,219 x + 15,57 R² = 0,9997
					20 10
				ж>-0 ▼	л
		-6	0 -40 -20			0
5	Температура на поверхности плиты внутри снизу в зависимости от температуры наружного воздуха		пл				y = 0,1659 x + 16,505 R² = 0,9952
					20 10
					л
		-6	0 -40 -20 0
6	Температура на поверхности плиты стык снизу в зависимости от температуры наружного воздуха	_-	60 -4	^—^^ 0 -2	20 10 0 00		y = 0,2094 x + 15,734 R² = 0,9972
7	Температура на поверхности плиты перекрытия сверху в зависимости от температуры наружного воздуха	_-	__ 60 -4	кн>< 0 -2	20 10 0 00		y = 0,1832 x + 16,498 R² = 0,9955
8	Температура на поверхности плиты перекрытия стык сверху в зависимости от температуры наружного воздуха		n Л				y = 0,2323 x + 16,425 R²= 0,9796
					л
		-6	0 -40 -20 0
9	Температура внутри плиты перекрытия в зависимости от температуры наружного воздуха		пл				y = 0,1835 x + 16,093 R²= 0,9931
		-6		20
				ГТ ’	л
			0 0 -40 -20 0

Окончание табл. 4

1 2 3 4 9 Температура внутри плиты перекрытия в зависимости от температуры наружного воздуха ал y = 0,1835x + 16,093 R2= 0,9931 10 Л -6 0 -40 -20 0 10 Температура на поверхности балконной плиты снизу в зависимости от температуры наружного воздуха y = 0,3994x + 12,278 R2= 0,9992 -6 0 0 0 -4 0 -2 0 АЛ -20 11 Температура стыка поверхности балконной плиты со стеной снаружи снизу в зависимости от температуры наружного воздуха - 60 - г*4^- 0 -2 20 10 0 0 -10 0 Y = 0,3626x + 12,71 R2= 0,9989 12 Температура внутри балконной плиты в зависимости от температуры наружного воздуха ПА y= 0,3863x + 12,267 R2= 0,9989 -6 20 10 0 -4 0 -2 0 -10 13 Температура на поверхности балконной плиты сверху в зависимости от температуры наружного воздуха АЛ y= 0,3802x + 12,043 R2= 0,9981 -6 0 -4 0 -2 0 00 14 Температура на поверхности балконной плиты стык сверху в зависимости от температуры наружного воздуха АЛ y= 0,3613x + 12,695 R2= 0,9995 -6 20 0 -4 0 -2 0 00 ных температур изменения температур внутри и снаружи конструкции происходят по линейным зависимостям, при воздействии положительных температур наружного воздуха изменения внутри конструкции происходят по белее сложным закономерностям.

В результате исследований установленные математические зависимости для выявления раз-

нородности термического поля в уязвимых частях фрагмента наружного ограждения предопределяют направление рационального конструктивного решения в процессе проектирования зданий с учетом выявления и всестороннего изучения уязвимых частей традиционных и вновь конструируемых наружных ограждений при энергоаудите фасадных конструкций.

Список литературы Моделирование термического режима вертикальных ограждающих конструкций зданий

Шилова Е.А., Шилов С.О., Хакимова В.А. Экспериментальное определение уязвимых мест для образования «мостиков холода» // StudArctic Forum. 2017. Т. 1. № 5. С. 93–98. DOI: 10.15393/j102.art.2017.923
Бедов А.И., Гайсин А.М., Габитов А.И., Галеев Р.Г., Салов А.С., Шибиркина М.С. Определение теплопотерь узла сопряжения оконной рамы со стеной при замене устаревшей конструкции оконных блоков на современные // Вестник МГСУ. 2015. № 11. С. 46–57.
Ульянов А.А., Голотина И.А. Оптимизация температурных характеристик стен зданий в местах образования «мостиков холода» // Инновации в строительстве – 2018. Материалы Международной научно-практической конференции. 2018. С. 248–251.
Плотников В.В., Голенок А.И. Влияние конструктивных решений стыков крупных панелей на энергоэффективность зданий // В сборнике: Инновации в строительстве – 2020. Сборник докладов Международной научно-практической конференции, посвященной 60-летию строительного института ФГБОУ ВО «БГИТУ». Брянск, 2020. С. 235–239.
Черкасов А.В., Деревцова К.В., Евсеев А.В. Конструктивные решения проблемы образования мостиков холода в жилых каркасных зданиях // Перспективы науки. 2019. № 11 (122). С. 49–51.
Определение теплопотерь наружных ограждений в местах примыкания оконных блоков к кирпичным стенам при реконструкции / А.И. Бедов, А.М. Гайсин, А.И. Габитов и др. // Промышленное и гражданское строительство. 2015. № 12. С. 28–32.
Черкасов А., Евсеев А., Веселова П. Современные решения проблемы теплопотерь через оконные проемы // Русский инженер. 2020. № 2 (67). С. 43–44.
Шатилов Н.Д. Проблема точечных мостиков холода навесных фасадных систем // Современные технологии в строительстве. Теория и практика. 2021. Т. 2. С. 161–164.
Будкин И.А. Технологическое решение по устранению «мостиков холода» в монолитных железобетонных конструкциях // Теория и практика современной науки. 2017. № 8 (26). С. 10–13.
Сотникова О.А., Целярицкая М.И., Пащенко Ю.О. Анализ «мостиков холода» с целью выявления недостатков монолитного домостроения в г. Воронеже // Известия Юго-Западного государственного университета. 2022. Т. 26. № 3. С. 21–34.
Фокин К.Ф. Строительная теплотехника ограждающих частей зданий. М.: АВОК-ПРЕСС, 2006. 256 с.
Богословский В.Н. Строительная теплофизика. СПб.: АВОК Северо-Запад, 2006. 400 с.
Ильинский В.М. Строительная теплофизика (ограждающие конструкции и микроклимат зданий). М.: Высшая школа, 1974. 320 с.
Гагарин В.Г., Неклюдов А.Ю. Учет теплотехнических неоднородностей ограждений при определении тепловой нагрузки на систему отопления зданий // Жилищное строительство. № 4, 2014. С. 3–7.
Гиясов А.И., Мирзоев С.М., Абдулрахман К. Моделирование тепловетровых процессов пристенного слоя ограждающих конструкций зданий при инсоляции // Вестник МГСУ. 2022, Т. 17, № 3. С. 285–297.
Dincer I., Rosen M. A. Thermal energy storage. Systems and applications. John Wiley & Sons: Chich-ester (England). 2002. 599 p.
Michael J. A. Experimental Investigations of the Combination of a Heat Pipe with Metal Foam or Foils for Enhancing Heat Transfer during the Melting and Solidification of a Phase Change Material (PCM) for Latent Heat Thermal Energy Storage Applications. [Master of Science Thesis 570]. Connecticut: University of Connecti-cut Graduate School. 2014. pp. 1–196. http://digitalcommons.uconn.edu/gs_theses/570.
Teplofizicheskie svoystva fazoperekhodnykh teploakkumuliruyushchikh materialov v stroitel`stve / I.O. Aymbetova, U.S. Suleymenov, M.A. Kambarov et al. // Uspekhi sovremennogo estestvoznaniya. 2018. № 12. рp. 9–13. DOI: 10.17513/use.36966.
Suresh C., Saha S.K., Hotta T. Kumar Phase change material incorporation techniques in building enve-lopes for enhancing the building thermal Comfort-A review // Energy and Buildings. 2022. Vol. P. 268.
Al-Yasiri Q., Szabó M. Selection of phase change material suitable for building heating applications based on qualitative decision matrix // Energy Conversion and Management: X. 2021. Vol. 12. Р. 38–46.
Feng, Guohui & Wang, Tianyu & He, Na & Wang, Gang. (2022). A Review of Phase Change Materials. E3S Web of Conferences. Р. 356.
Гиясов А.И., Карасев Е.В. Термический анализ вертикальных ограждающих конструкций с учетом тепловых воздействий // Вестник МГСУ. 2023. № 7. Т. 18. С. 1039–1054.

Еще

Статья научная