Вітраж цивільної будівлі як фактор зміни температури повітря приміщення за літніх умов

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДОНБАСЬКА НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ

БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

УДК 697.133:692.53

ВІТРАЖ ЦИВІЛЬНОЇ БУДІВЛІ ЯК ФАКТОР ЗМІНИ ТЕМПЕРАТУРИ ПОВІТРЯ ПРИМІЩЕННЯ ЗА ЛІТНІХ УМОВ

05.23.01 - будівельні конструкції, будівлі та споруди

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

БІЛОУС Олексій Миколайович

Макіївка 2010



Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Донбаській національній академії будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України на кафедрі архітектури промислових та цивільних будівель.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Тимофєєв Микола Васильович, Донбаська національна академія будівництва і архітектури, доцент кафедри архітектури промислових та цивільних будівель.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, с.н.с. Черних Людмила Федорівна, Український зональний науково-дослідний і проектний інститут по цивільному будівництву, керівник відділу будівельної фізики;

доктор технічних наук, професор Кінаш Роман Іванович, Національний університет «Львівська політехніка», завідувач кафедри архітектурних конструкцій.

Захист відбудеться «17» вересня 2010 р. о 13⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 12.085.01 Донбаської національної академії будівництва і архітектури (86123, Донецька обл., м. Макіївка, вул. Державіна, 2, навчальний корпус №1, зала засідань).

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Донбаської національної академії будівництва і архітектури (86123, Донецька обл., м. Макіївка, вул. Державіна, 2).

Автореферат розісланий «26» липня 2010 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Я.В. Назім



АНОТАЦІЯ

Білоус Олексій Миколайович. Вітраж цивільної будівлі як фактор зміни температури повітря приміщення за літніх умов. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 - будівельні конструкції, будівлі та споруди. - Донбаська національна академія будівництва і архітектури, Макіївка, 2010.

Дисертаційна робота присвячена прогнозуванню температури повітря приміщення цивільних будівель з вітражем за літніх розрахункових умов на підставі розрахункового та експериментального аналізу.

Проведено аналіз сучасних конструктивних принципів та основних положень проектування вітражів. Була уточнена класична теорія Шкловера приросту температури повітря в приміщені при нестаціонарних теплонадходженях сонячної радіації методикою розрахунку теплонадходжень крізь вітраж за Староверовим. Використано дані про сонячні теплонадходження на вертикальну поверхню для моделювання дії сонячної радіації, що дозволило розробити принципову схему лабораторної установки та випробувати фрагмент вітражу. На основі лабораторних експериментів отримані масиви даних розподілу температур на поверхні вітража, виявлена закономірність зміни температур на поверхні вітража, що дозволило обрати критерій оцінки - максимальну приведену температуру на поверхні. Отримано експериментальні дані з приросту температури внутрішнього повітря приміщення з вітражем у натурних умовах, які підтверджують теоретичну модель формування надлишкових температур у приміщенні. вітраж температура повітря теплонадходження

Ключові слова: температура поверхні та повітря, вітраж, літні умови, лабораторна установка, натурні спостереження, сонячна радіація.



АННОТАЦИЯ

Белоус Алексей Николаевич. Витраж гражданских зданий как фактор изменения температуры воздуха помещения в летний период года. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 - строительные конструкции, здания и сооружения. - Донбасская национальная академия строительства и архитектуры, Макеевка, 2010.

Диссертационная работа посвящена прогнозированию температуры воздуха помещений гражданских зданий с витражом на основе расчетного и экспериментального анализа.

Во введении диссертации обоснована актуальность выбранной темы, сформулирована цель, задачи, объект, предмет и методы исследования, научная новизна и практическое значение работы, приведены сведения об апробации результатов диссертационной работы.

В первом разделе произведен анализ нормативной и справочной литературы и трудов по натурным испытаниям, разработке методов лабораторных исследований, инсоляции помещений, испытаниям солнцезащитных устройств, климатических данных в летний период года, вопросов теплопоступления сквозь витражные системы, приведен европейский опыт лабораторных испытаний и норм. Рассмотрены современные типы витражных систем и их конструктивные особенности, приведена схема классификации витражей и представлена общая схема работы.

Во втором разделе приведена математическая модель воздействия солнечной радиации на помещение с витражем. За основу взята классическая теория Шкловера о прерывистых теплопоступлениях в помещение с витражем, в которую были внесены уточнения по методике Староверова о количестве поступлений тепла сквозь витраж в летний период года.

В третьем разделе, опираясь на результаты теоретического анализа расчетных летних условий, была предложена принципиальная схема лабораторной установки и метод проведения испытаний, выполнены испытания фрагмента витража. Выявлены основные требования к фрагменту витража, оборудованию, методам обработки результатов, оценке точности и достоверности. В результате выявлено, что почасовое увеличение эквивалентной температуры и поддержание коэффициента теплопередачи отвечают реальным условиям действия солнечной радиации.

Четвертый раздел посвящен уточнению методики натурных испытаний (в части выбора объекта наблюдения, температуры на поверхности витража, оборудования и обработки данных), что позволило получить экспериментальные данные температур на поверхности витражей и внутреннего воздуха.

В пятом разделе произведен статистический анализ результатов теоретических расчетов и натурных экспериментов. Представлен инженерный метод расчета прироста внутренней температуры воздуха в помещении за счет теплопоступлений через витраж. Предложен критерий оценки для витражей - максимальная приведенная температура поверхности.

Ключевые слова: температура поверхности и воздуха, витраж, летние условия, лабораторная установка, натурные испытания, солнечная радиация.



ANNOTATION

Bilous Oleksiy M. Vitrage of Civil Buildings as a Factor of Change of the Air Temperature of Apartment at Summer Terms. - The manuscript.

The thesis submitted for the scientific degree of PhD at a speciality 05.23.01 - Building Structures, Buildings and Constructions. - Donbas National Academy of Civil Engineering and Architecture, Makiyivka, 2010.

The dissertation work is devoted to prognostication of the air temperature of an apartment of civil buildings with a stained-glass window at summer calculation terms on the basis of calculation and experimental analysis.

The analysis of modern structural principles and substantive provisions of planning of stained-glass windows is conducted. The classic theory by Shklover of increase of the air temperature was specified in an apartment at non-stationary warmlysupply of sun radiation by the method of calculation of warmlysupply through a stained-glass window by Staroverov. The information about sun warmlysupply on a vertical surface for the design of action of sun radiation, that allowed to develop the principle chart of the laboratory setting and test a fragment a stained-glass window was used. The arrays of data of distributing of temperatures on-the-spot stained-glass window on the basis of laboratory experiments was found out the conformity to the law of change of temperatures on-the-spot stained-glass window, these allowed to choose the criterion of estimation, that is the maximal resulted temperature on-the-spot. The experimental information was received from the increase of temperature of internal air of an apartment with a stained-glass window in model terms which confirm the theoretical model of forming surplus temperatures in an apartment.

Key words: temperature of surface and air, vitrage, summer terms, laboratory setting, model supervisions, sun radiation.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Вітраж, як архітектурний елемент, за давніх часів використовувався у цивільних будівлях з метою збільшення природнього освітлення, забезпечення кращого огляду приміщень зовні та з'єднання внутрішнім та зовнішнім середовищем. Якщо у старих будівлях вітраж займав до половини площі, то сучасні вітражі, нерідко самонесучі, можуть займати до 100% площі зовнішніх огороджувальних конструкцій. Збільшення долі світлопрозорої частини фасаду призводить до зростання теплових потоків, що проходять крізь них, тим більше, що несуча частина вітражів виконується зі сталевих, алюмінієвих та ПВХ конструкцій, які є додатковим джерелом теплопередачі. Нерідко, в приміщеннях з вітражами виникають дискомфортні умови в літній період, такі як підвищена температура внутрішнього повітря, висока температура поверхонь світлопрозорого огородження, негативний вплив на людину теплового опромінювання з боку вітража.

Такі негативні умови виникають зазвичай за рахунок того, що світлопрозорі огородження призначаються за зимовими характеристиками, без достатнього урахування літніх умов. На даний момент відсутні нормативні рекомендації з лабораторного дослідження вітражів і прогнозування температури в приміщенні, а проводити натурні дослідження, після зведення будівлі та монтажу вітража, для перевірки теплонадходжень за рахунок сонячної радіації економічно невигідно.

Отже, оцінюючи вітраж, потрібно враховувати температурні показники, як фактор забезпечення комфортних умов перебування людини в приміщенні без штучної системи вентиляції або кондиціювання повітря. Аналіз класичної теорії теплостійкості, показує, що амплітуда коливань температури на внутрішній поверхні, яка прийнята для оцінки несвітлопрозорих огороджень, не може бути застосована до світлопрозорих. Це, насамперед, пов'язане з нульовим значенням коефіцієнту теплозасвоєння повітряного прошарку у світлопрозорій конструкції та відсутністю теплової інерції.

Зважаючи на зазначене, температурні показники вітражів у літній період треба оцінювати за окремим критерієм і мати відповідні розрахункові та експериментальні методи. Усе вищесказане визначає актуальність теми дисертаційної роботи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота пов'язана з виконанням завдань, визначених зокрема: Указом Президента України від 28.02.2008 р. №174/2008 «Про невідкладні заходи щодо забезпечення ефективного використання паливно-енергетичних ресурсів»; розпорядженням Кабінету Міністрів України від 16.10.2008 р. №1334-р «Про схвалення пріоритетних напрямів діяльності у сфері енергоефективності та енергозбереження на 2008-2009 роки»; розпорядженням Кабінету Міністрів України від 17.12.2008 р. №1567-р «Про програми підвищення енергоефективності та зменшення споживання енергоресурсів»; Закону України «Про енергозбереження»; Енергетичної стратегії України на період до 2030 р, що затверджена Кабінетом Міністрів України 15.03.2006 р.

Дисертація виконувалась в межах держбюджетних науково-дослідних програм ДП «НДІБК» відповідно до планів робіт Міністерства регіонального розвитку та будівництва України (№ 0107U002912, 0108U003526, 0108U003527).

Метою дослідження є прогнозування температури внутрішнього повітря приміщення при дії сонячної радіації за літніх умов.

Для досягнення поставленої мети були визначені наступні задачі дослідження:

– аналіз сучасних конструктивних принципів та основних положень проектування вітража з урахуванням дії сонячної радіації;

– уточнення математичної моделі формування підвищених температур внутрішнього повітря приміщення цивільних будівель з вітражем;

– розробка принципової схеми лабораторної установки, методики та проведення експериментальних досліджень фрагменту вітража при дії розрахункових значень сонячної радіації у літніх умовах;

– уточнення наукової основи проведення натурних досліджень в приміщенні з різними вітражами для перевірки теоретичної моделі теплопередачі скрізь вітраж;

– уточнення інженерного методу розрахунку температури внутрішнього повітря в приміщенні з вітражем без урахування кондиціювання повітря.

Об'єкт дослідження - вітражі в приміщенні цивільних будівель.

Предмет дослідження - закономірності зміни температур на поверхні вітража та внутрішнього повітря приміщення внаслідок надходження сонячної радіації.

Методи дослідження. Основними методами дослідження є: аналітичні - для уточнення математичної моделі дії сонячної радіації на приміщення з вітражем та аналізу експериментальних результатів та визначення температурних показників; експериментальні - з використанням високоточного обладнання в лабораторних і натурних дослідженнях.

Наукова новизна одержаних результатів:

– уточнено математичну модель процесу сонячних теплонадходжень через вітраж, яка дозволила визначати приріст температури внутрішнього повітря за теорію Шкловера за рахунок уточнення кількісної величини теплонадходжень за методикою Староверова;

– вперше використано дані про сонячні теплонадходження на вертикальну поверхню для моделювання дії сонячної радіації, що дозволили розробити принципову схему лабораторної установки;

– на основі лабораторних експериментів одержані масиви даних розподілу температур на поверхні вітража, виявлено закономірності зростання температур на поверхні вітража, які дозволяють обрати критерій оцінки;

– одержано експериментальні дані з приросту температури внутрішнього повітря приміщення з вітражем в натурних умовах, які підтверджують теоретичну модель формування підвищених температур в приміщенні.

Практичне значення одержаних результатів. Отримані експериментально-теоретичні результати розвивають методи визначення температури в приміщенні. Методика розрахунку температури повітря в приміщенні з вітражем дозволяє проектувальникам на етапі П (проект) прогнозувати поведінку світлопрозорих огороджень у літній період з урахуванням дії сонячної радіації.

Результати прогнозування температури повітря, в приміщені з вітражем, можуть бути використані спеціалістами в галузі кондиціювання на етапі розробки забезпечення штучного мікроклімату.

Розроблена принципова схема моделювання сонячної радіації, яка являє собою основу для побудови лабораторної установки з визначення її дії на вітраж.

Основні результати роботи увійшли до наступних нормативних документів: ДСТУ-Н Б А.2.2-5:2007 «Настанова з розроблення та складання енергетичного паспорта будинків при новому будівництві та реконструкції», ДСТУ Б В.2.6-100:2010 «Метод визначення теплостійкості огороджувальних конструкцій», ДСТУ Б В.2.6-101:2010 «Метод визначення опору теплопередачі огороджувальних конструкцій», ДСТУ Б В.2.6-ХХХ:20ХХ «Параметри мікроклімату в приміщеннях» (на розгляді).

Розробки впроваджені в реальних проектах: «Торгівельний комплекс по вул. Садоводчеська у Ленінському районі м. Донецька», «Адміністративна будівля з вбудованою підземною автостоянкою по пр. Маяковського».

Методика розрахунку температурних характеристик приміщень з вітражем застосовується в навчальному процесі при викладанні дисциплін: «Проектування будівель та основи містобудування», розділ «Теплофізика»; «Проектування енергоекономічних та енергоактивних будівель».

Особистий внесок здобувача. Уточнення математичної моделі процесу сонячних теплонадходжень через вітраж. Розробка методів проведення лабораторних і натурних досліджень вітража в літній період. Створення принципової схеми лабораторної установки з випробування фрагментів вітражу на дію сонячної радіації влітку. Проведення лабораторних та натурних випробувань та камеральна обробка отриманих результатів випробувань. Обґрунтування критерію оцінки температурних характеристик вітражів у лабораторних дослідженнях. Розробка методичних вказівок «Розрахунки теплової ізоляції будівель».

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень доповідалися і обговорювалися та одержали позитивну оцінку на: VI, VII та VIII-ій міжнародних конференціях студентів, аспірантів та молодих вчених ДонНАБА в 2007-2009 рр.; науково-практичній конференції «Научно-техническое творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях», м. Москва, 2009р.; науково-технічній конференції «Енергозберігаючі будівельні конструкції та вироби», ДП «НДНІБК» м. Київ, 2008 р. та 2009 р.

У повному обсязі дисертація доповідалась на розширеному засіданні кафедри «Архітектура промислових та цивільних будівель» Донбаської національної академії будівництва і архітектури.

Публікації. Основні положення та результати роботи викладені у семи статтях у наукових журналах та збірниках наукових праць, що входять до перелвку ВАК України (дві статті одноосібно).

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел з 130 найменувань, п'яти додатків. Робота викладена на 183 сторінках, з них основного тексту 129 сторінок, 12 сторінок списку використаних джерел, 42 сторінок додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету, задачі, об'єкт, предмет і методи дослідження, наукову новизну та практичне значення роботи, наведено відомості щодо апробації її результатів.

У першому розділі розглянуто теоретичні та експериментальні можливості виявлення впливу сонячної радіації на приміщення з вітражем та забезпечення комфортних умов в приміщенні.

Проектування приміщень з вітражем може спиратися на базу фундаментальних наукових досліджень в галузі будівельної кліматології та теплофізики. Найбільш вивченими є сонячні теплонадходження на горизонтальні та вертикальні поверхні. Цьому присвячені баготорічні натурні спостереження вчених Головної геофізичної обсерваторії ім. А.І. Воєйкова, а також А.І. Круглової, З.І. Пивоварової та Г.В. Циценко. Створений на базі цих спостережень, діючий СНиП 2.01.01-82 «Строительная климатология и геофизика», відповідає вимогам нормативного документа із забезпеченням вихідних розрахункових даних.

Основна теплофізична вимога - опір теплопередачі, основні вимоги до випробувань якої були розроблені в Науково-дослідному інституті будівельної фізики (м. Москва). На території України на теоретичному і експериментальному рівні вивчають це питання в теплофізичній лабораторії ВАТ «Український зональний науково-дослідний і проектний інститут по цивільному будівництву» під керівництвом Л.Ф. Черних; подібними експериментальними дослідженнями займаються в лабораторії теплофізики та ресурсозбереження ДП «Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій» (м. Київ) під керівництвом Г.Г. Фаренюка. Питанням енергозбереження будівлі, в тому числі знаходженням лінійного коефіцієнту теплопередачі, присвячені роботи М.В. Савицького та Т.Д. Нікифорової.

Для несвітлопрозорого огородження ще радянськими вченими розроблена класична теорія теплостійкості, згідно з якою ведуться інженерні розрахунки. Основу цієї теорії поклали В.М. Богословський, В.А. Дроздов, А.В. Ликов, В.К. Савин та А.М. Шкловер, але вона не може бути застосована до світлопрозорих огороджень.

Особливості проникнення теплових потоків через світлопрозоре огородження вивчали В.М. Богословський, П.Ю. Гамбург та І.Г. Староверов. Для деяких конструктивних систем (з дерев'яним каркасом) є інженерні методи, але в сучасному будівництві переважно застосовуються системи з іншими конструкціями та матеріалами виконання.

Забезпеченням комфортних умов у приміщенні під дією негативних умов впливу зовнішніх факторів займався В.М. Богословський, який запропонував поняття - «друга умова комфортності», що визначає перебування людини біля охолоджених або нагрітих поверхонь .

Лабораторні дослідження з моделювання сонячної радіації в Україні та странах СНД не проводяться взагалі, але закордонні вчені мають достатню кількість напрацювань. Так, лабораторні дослідження з калометричних випробувань сонцезахисних пристроїв (далі - СЗП) проводяться в Інституті Сонячної енергії (Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE).

Європейська організація зі стандартизації намагається розширити коло методик для обчислення коефіцієнтів затінювання СЗП. Наближено, але з використанням спрощених алгоритмів, випускає занадто грубий метод обчислень в EN 13363 (частина 1), і уточнюючий детальний метод EN 13363 (частина 2), який не пройшов формальну процедуру голосування і тому є необов'язковим. Проте, є декілька серйозних обмежень і спрощень в обох документах, що не дозволяє ґрунтовно охарактеризувати кількісні показники.

У сучасних нормативних документах України (ДБН В 2.6-31:2006 «Конструкції будинків і споруд. Теплова ізоляція будівель», ДСТУ Б В.2.6-15-99 «Вікна та двері полівінілхлоридні. Загальні технічні умови», ДСТУ Б В.2.6-24-2001 «Блоки віконні дерев'яні зі склопакетами. Технічні умови», ГОСТ 21519-84 «Окна и двери балконные, витрины и витражи из алюминиевых сплавов. Общие технические условия», ДСТУ Б В.2.6-20-2000 «Блоки віконні та дверні. Метод визначення загального коефіцієнта пропускання світла», ГОСТ 26602-85 «Окна. Метод определения сопротивления теплопередаче») надаються вимоги до конструктивних елементів вікон та їх теплофізичних характеристик, але не дається вказівок до розміщення вітражів згідно сторін світу та кількості сонячної радіації, що має пройти через них.

Проведений аналіз дозволив сформулювати мету та завдання дисертаційної роботи та був врахований у класифікації сучасних вітражних систем з розглядом принципів та основних положень конструювання і проектування.

На заставах критичного аналізу сучасних вітражних систем та робіт Р.І. Кінаша розроблена схема з класифікації вітражних систем. Класифікація дозволила визначити область дослідження - приміщення без урахування кондиціювання з вітражем із будь-якого матеріалу каркасу, типу засклення, конструктивною схемою та без можливості вентиляції.

У другому розділі уточнюється математична модель впливу дії сонячної радіації на приміщення з вітражем.

Вплив сонячної радіації на приміщення з вітражем можна умовно поділити на три етапи: формування зовнішніх факторів впливу (сонячна радіація та підвищена температура повітря), процес теплонадходжень крізь вітраж, формування підвищених температур у приміщенні.

Згідно теорії Шкловера третій етап впливу сонячної радіації на приміщення розглядається як теплопередача W, що має переривчастий характер у часі, з добовим циклом :



(1)

Значення теплопередачі знаходиться розкладом на гармоніки у ряд Фур'є

, (2)

де b_k=0, тому що функція парна;

. (3)

Для того, щоб знайти коливання температури внутрішнього повітря в приміщенні, дотримуючись закону збереження тепла, необхідно амплітуди гармонік рівняння (2) ділити послідовно на теплозасвоєння (Р₁, Р₂, Р_k), а фазові кути здвинути на відповідні кути запізнювання температури повітря (₁, ₂, _k), тоді можливим буде знаходити температуру повітря:

. (4)

Розглядаючи окремий випадок, що на будь-якій поверхні теплопотоки Q будуть змінюватися за тією ж самою схемою, що й W, ряд Фур'є для цього буде відрізнятися від (4):

– замість t_в та t_вср необхідно підставити температури повітря та поверхонь приміщення t_в.п та t_в.п.ср;

– замість W_m необхідно відносити до площі ;

– замість Р₁, Р₂ і т. д. потрібно вставити s₁, s₂ і т. д. до (4) враховуючи, що

s_k=s₁;

– замість ₁, ₂ і т. д. потрібно змінити кут на /4.

Введемо нове позначення

= (5)

та отримуємо спрощену формулу температури повітря приміщення

t_в.п = t_в.п.ср + . (6)

Пошук t_в.п зводиться до визначення , що можливо знайти за одним з методів Эйлера, який обчислює суму нескінченних числових рядів, інтегруванням з нескінченним граничним інтегралом.

Величина t_в.п.ср буде залежати від ще одного фактору - температури зовнішнього повітря. Щоб не вводити новий фактор, будемо замість температури внутрішнього повітря використовувати приріст температури внутрішнього повітря , °С, що дорівнює

(7)



де - відносна тривалість тепловиділення, в долях добового періоду;

- величина, що характеризує періодичність зміни температури внутрішнього повітря по годинах, за номограмою Шкловера;

F - площа внутрішнього огородження, через яку відбувається процес теплопередачі, м²;

k - коефіцієнт теплопередачі, через вказану вище площу F, Вт/(м² К);

Y₀ - приведений коефіцієнт теплозасвоєння всіх внутрішніх поверхонь, при умові рівності теплових потоків з двох боків огороджувальної конструкції, Вт/(м² К);

F₀ - сумарна площа внутрішніх поверхонь приміщення, м²;

t_з, t_в - температура зовнішнього та внутрішнього повітря приміщення відповідно, будуть уточнюватися у п'ятому розділі, °С.

- середні за період дії сонячної радіації, теплонадходження в приміщення, Вт.

В теорії А.М. Шкловера присутня величина , але не зазначено як знаходити її кількісну величину. Тому пропонується скористуватися даними, що містяться в роботі І.Г. Староверева. В його трудах та сучасних нормативних документах кількісна величина зазначена як Q_cр. З урахуванням широти місцевості та всіх чинників, що відносяться до здатності світлопрозорої конструкції пропускати теплову енергію, зазначена величина знаходиться за формулою:

Q_cр = [k_c · k_1c · q_c + k · (t_з - t_в.п)] · F, (8)

де q_c - кількість сонячної радіації, що проникає через одинарне світлопрозоре огородження, Вт/м²;

k_c, k_1c - коефіцієнти, що враховують зміну находження тепла крізь поверхню, за рахунок затемнення скла віконною рамою та забрудненням атмосфери, та через поверхню світлопрозорого огородження, відмінного від засклення з одинарного незатемненого скла;

k - теж, що й у формулі (7).

Отже, пропонується розраховувати приріст температури повітря приміщення за теорію Шкловера з урахуванням метода Староверова по визначенню кількості теплонадходжень у приміщення крізь вітраж, але для підтвердження коефіцієнтів в методі Староверова потрібні натурні спостереження.

Третій розділ присвячений розробці методики лабораторних досліджень, на засадах якої була розроблена принципова схема лабораторної установки та проведено дослідження фрагменту вітражу.

Розроблена методика проведення лабораторних досліджень за двома схемами: перша - опромінювання; друга - вплив умовної температури. При опромінювані фрагменту вітража потрібно регулювати кількість опромінювання, підтримувати розрахункові зовнішні температури та коефіцієнт теплообміну, при другій - умовну температуру та коефіцієнт теплообміну.

За першою схемою випробувань, у залежності від географічної широти кліматичного району та проектного положення (вертикальне або горизонтальне) випробувальної конструкції, необхідно відтворювати величину сонячної радіації, І, Вт/м², згідно СНиП 2.01.01.

Погодинне значення температури зовнішнього повітря, , єС, розраховується за формулою

, (9)

де t_max - середня максимальна температура найбільш спекотного місяця, єС, приймається згідно зі СНиП 2.01.01;

А_max - максимальна амплітуда коливань у липні, °С, приймається згідно зі СНиП 2.01.01;

ш - коефіцієнт, значення якого в залежності від години доби.

Визначається розрахункове значення коефіцієнту теплообміну зовнішньої поверхні, Вт/(м²·К), величина якого обчислюється за формулою

_зл =5,8+11,6, (10)

де - швидкість руху повітря в зовнішньому відсіку лабораторної установки, м/с, що приймається згідно зі СНиП 2.01.01, рівною мінімальній з середніх швидкостей вітру по румбах за липень, повторюваність якої складає 16 % і більше.

За другою схемою розраховується погодинне значення еквівалентної температури за формулою

, (11)

де t_зл - середня температура зовнішнього повітря в червні за СНиП 2.01.01, єС;

- середньо зважений коефіцієнт поглинання сонячної радіації вітражу;

_зл - теж, що і у формулі (10).

Принципова схема лабораторної установки що може також використовуватися для випробування несвітлопрозорих огороджувальних конструкцій, складається з наступного обладнання:

- зовнішній відсік, в якому відтворюються розрахункові літні умови зовнішнього середовища. Основною вимогою до вказаного відсіку є встановлення та регулювання інтенсивності випромінювання, умов теплообміну та температури з зовнішнього боку дослідного зразка на рівні розрахункових температурних умов;

- внутрішній ізольований відсік, що приставляється до зовнішнього відсіку, в прорізі якого влаштовується дослідний зразок. Ступінь чорноти матеріалу внутрішньої поверхні відсіку дорівнює 0,9;

– система регулювання температури в зовнішньому відсіку, що складається з первинного перетворювача температури (далі - ПТ), регулятора та виконуючих пристроїв для автоматичного підтримування заданого значення температури з похибкою не більше, ніж ± 1 К;

– система регулювання інтенсивності опромінювання, що складається з вимірювача та регулятора інтенсивності опромінення. Регулювання інтенсивності опромінювання здійснюється за допомогою регуляторів потужності;

– система регулювання швидкості руху повітря в зовнішньому відсіку лабораторної установки, що складається з вентиляторів, швидкість обертів яких регулюється за допомогою регуляторів потужності двигуна;

– комплект вимірювальних первинних ПТ;

– засоби вимірювання інтенсивності опромінення - піранометр;

– засоби вимірювання швидкості руху повітря в зовнішньому відсіку лабораторної установки - автоматичні датчики, ручний анемометр.

Лабораторні випробування проводилися на базі теплофізичної лабораторії ДП «Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій» м. Києва, яка обладнана сертифікаційним лабораторним устаткуванням.

Випробування проводилися за наступним порядком:

– на початку випробування у внутрішньому відсіку лабораторної установки, температуру внутрішнього повітря встановлювали на рівні розрахункової температури повітря приміщення;

– здійснюювалось автоматичне підтримування інтенсивності сонячного випромінювання зовнішньої поверхні досліджуваної конструкції;

– за допомогою вентиляторів системи регулювання швидкості руху повітря, згідно з формулою (8), підтримувалося значення _зл;

– вимірювались температури поверхонь досліджуваної конструкції.

За результатами випробувань можна зробити висновок, що при моделюванні сонячної радіації спостерігається підвищення температури внутрішньої поверхні світлопрозорої вітражу на 3 °С в порівнянні з результатами випробувань, в яких теплота випромінювання замінювалась конвективною складовою.

У подальших лабораторних дослідженнях, зважаючи на недоліки галогенних ламп (вони не повністю відтворюють дію сонячної радіації), пропонується проводити випробування моделюванням еквівалентної температури, як це передбачено у класичній теорії. Результати лабораторних досліджень послужать у п'ятому розділі основою для вибору критерію оцінки вітража.

У четвертому розділі надано методику та результати натурних досліджень теплофізичних параметрів приміщень з вітражем під впливом сонячної радіації.

Було здійснено уточнення методики проведення натурних випробувань, зокрема:

– під час випробувань у натурних умовах автоматично контролювалися показники навколишнього середовища за допомогою засобів вимірювання;

– швидкість і напрямок вітру вимірювались на території біля випробовуваного об'єкту чотири рази на добу, через рівні проміжки часу, за допомогою засобів вимірювання. Вимірювання проводилися на рівні 2 м від поверхні землі на відстані однієї висоти від будинків;

– температури поверхонь досліджуваної огороджувальної конструкції безперервно вимірювались за допомогою первинних ПТ та вторинної апаратури згідно ДСТУ Б В.2.6-17-2000;

– інтенсивність сумарної сонячної радіації, що потрапляє на випробувальну огороджувальну конструкцію, вимірювалась піранометром;

– інтенсивність сонячної радіації, відбитої від поверхні непрозорої огороджувальної конструкції, вимірювалась піранометром, приймальна поверхня якого звернена до огороджувальної конструкції.

Інтенсивність відбитої сонячної радіації вимірювалась одночасно з вимірюваннями сумарної сонячної радіації не менше трьох разів в період доби між сходом та заходом Сонця.

Натурні випробування проводилися на двох об'єктах. Першим об'єктом спостереження (липень 2008 р.) було вибране засклення з дерев'яною рамою. Приміщення з вітражем розміщується на восьмому поверсі цивільного багатоповерхового будинку, розташованого в м. Донецьку. Фасад орієнтовано на захід, площа світлопрозорої частини дорівнює - 6,1 м².

У якості другого об'єкта дослідження було обрано приміщення з вітражем типу «Spider». Він характеризується металевим точковим кріпленням багатошарового скла до стійково-рігільної системи каркасу. Приміщення з вітражем розміщується на першому поверсі цивільного багатоповерхового будинку розташованого в м. Києві. Фасад орієнтовано на схід, площа світлопрозорої частини дорівнює - 64,24 м², дослідження проводились в червні 2009 р.

На засадах натурних експериментів виявлено температурні характеристики двох об'єктів спостережень, які наведено в табл. 3.

У п'ятому розділі проведено порівняння теоретичних розрахунків та натурних досліджень. Приведені кількісні дані теплонадходжень за різними варіантами проектування та впровадження результатів роботи.

Для вітража з дерев'яною конструкцію побудовані залежності температури повітря (крива 1), температури на поверхні вітража, що отримані на підставах натурних досліджень (крива 3) та розраховані теоретично (крива 4). Подібні залежності (відповідно криві 2, 5, 6) побудовані для вітражу типу «Spider». Відхилення натурних спостережень від теоретичних складає 0,1%, за методом статистичної обробки Манна-Уїтні.

Окремо пропонується оцінювати температуру на внутрішній поверхні вітража. Як критерій оцінки може розглядатися перепад між максимальною приведеною температурою на внутрішній поверхні та розрахунковою температурою внутрішнього повітря. Але, при невизначеності розрахункової величини температури внутрішнього повітря (інколи вона приймається рівною 25°С) та складності урахування впливу внутрішнього об'єму повітря на загальний тепловий стан, цей критерій був відхилений, як такий що ускладнює оцінку.

Найбільш реальним та наближеним до отриманих результатів є використання оцінки умов комфортності перебування людини біля нагрітої поверхні. За отриманими в натурних умовах результатами та підтвердженням в лабораторних умовах, треба обмежувати приведену температуру на внутрішній поверхні світлопрозорого огородження, згідно другої умови комфортності.

Для забезпечення першої умови комфортності, слід враховувати, що значення t_в.п можливо знайти за формулою (9), при коефіцієнті =1 (що відповідає п'ятої години за сонячному часі), так як ця година буде до початку теплонадходжень.

Відомо, що до радіаційного нагріву найбільш чутливою є поверхня голови. Радіаційний баланс повинен бути таким, щоб будь-яка елементарна ділянка на поверхні голови віддавала випромінюванням оточуючим поверхням не менш 11,6 Вт/м². При розміщенні світлопрозорої частини у стіні за розрахункове положення людини приймається дистанція 1 м від нагрітої поверхні вікна (вітражів).

Максимальна допустима приведена температура _max, єС, нагрітої поверхні дорівнює



_max 19,2 + 8,7/, (12)

де ц - коефіцієнт опромінювання з боку голови людини в бік нагрітої поверхні, який знаходиться за формулою:

ц = 1- 0,8 (х/l), (13)

l - характерний розмір вітража, та дорівнює

l = , (14)

F - площа вітража, м².

Таким чином значення максимально допустимої приведеної температури дорівнюватиме:

_max = 44,93 - 4,6 ln (F). (15)

Згідно з формулою (6), для різних площ вітражів від 1 м² до 100 м², були розраховані приведені температури на внутрішній поверхні ,.

Отже, для перевірки умов комфортності потрібні: температура внутрішнього повітря, яка знаходиться теоретично або з натурних досліджень; приведена температура на внутрішній поверхні вітража, значення яких встановлюється в лабораторних дослідженнях.

Розглядаючи питання енергоефективності, було проаналізовано чотири варіанта прогнозування теплонадходжень крізь різноманітні вітражі, з різною орієнтацією за сторонами світу. Для розрахунку було обране модель приміщення, що відповідає, за тепловими показниками огороджень, приміщенню з дерев'яною рамою в м. Донецьку.

За формулою (8) були проведені розрахунки кількості середнього теплонадходження за період дії сонячної радіації в приміщені.

Результати розрахунків за запропонованим методом демонструють, у порівнянні з варіантом «1», зменшення теплонадходження за варіантом «2» в 1,2, «3» - 1,3, «4» - 1,7 раза. Це є підґрунтям для отримання економічного ефекту при проектуванні систем кондиціювання.



ВИСНОВКИ

У дисертації сформульовані методики розрахункового та експериментального оцінювання конструктивних рішень вітражів на підставі температурних показників за літніх умов, що дозволяють визначити стратегічну задачу зниження енерговитрат на експлуатацію цивільних будівель.

Складовими частинами розв'язання цієї проблеми є наступні найбільш вагомі наукові та практичні результати:

1. Вирішена теоретична задача з визначення приросту температури внутрішнього повітря під дією сонячної радіації, яка поступає крізь вітраж у розрахункових літніх умовах, у приміщенні без кондиціювання повітря, що дозволило розробити інженерний метод розрахунку.

2. Розроблено класифікацію за основними ознаками (конструктивна схема, матеріал каркасу, тип засклення, можливість вентиляції вітражу), що дозволило запропонувати отриману інформацію в теплотехнічних розрахунках з урахуванням дії сонячної радіації при виборі конструктивної схеми вітражу та розташування його в приміщенні.

3. Сформульовано наукові принципи моделювання сонячної радіації, які встановлюють, що еквівалентна температура та коефіцієнт тепловіддачі, у порівняні з безпосереднім опромінюванням, відповідають реальним умовам дії сонячної радіації. Розроблено принципову схему лабораторної установки та методику випробувань вітражу. Сформульовані основні вимоги до фрагменту вітражу (площа не менш ніж 1м²), устаткуванню, приладовому забезпеченню, методам обробки результатів, оцінки точності та достовірності.

4. За лабораторними випробуваннями знайдено максимальні значення приведеної температури на поверхні вітража, що дозволило запропонувати критерій оцінки можливості перебування людини біля вітражу за літніми умовами, яким є максимально допустима температура на внутрішній поверхні в залежності від площі вітражу.

5. Уточнено методику натурних спостережень теплостійкості за літніх умов несвітлопрозорих огороджень, що дозволило використовувати її для досліджень вітражів. Встановлені вимоги до натурних випробувань в частині вибору об'єкта досліджень, місць розташування датчиків, необхідного устаткування, обробки і оцінки результатів спостережень.

6. В досліджених натурних об'єктах у м. Донецьку та м. Києві зафіксовані максимальні значення приведених температур на поверхні вітража 44 °С та 36°С, внутрішнього повітря 36°С та 27°С відповідно. Підтверджено збіг результатів натурних досліджень та запропонованого теоретичного методу розрахунку з коефіцієнтом збігу Манна-Уїтні 0,1%.

7. Соціально-економічний ефект від впровадження розробок дисертаційної роботи полягає у прогнозованому зменшенні теплонадходжень до приміщення приблизно в 2 рази у порівнянні з прийнятими проектними рішеннями, що покращить один із чинників мікроклімату приміщення. Результати роботи використані в чотирьох нормативних документах України по теплостійкості огородження (додана методика натурних і лабораторних досліджень світлопрозорих огороджень), настанові зі складання енергетичного паспорта будівель (додана таблиця теплонадходжень сонячної радіації на вертикальні поверхні), визначенню опору теплопередачі в лабораторних та натурних умовах та нормуванню параметрів мікроклімату, а також впроваджені в проектах: «Торгівельний комплекс по вул. Садоводчеська у Ленінському районі м. Донецька» та «Адміністративна будівля з вбудованою підземною автостоянкою по пр. Маяковського».



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Білоус О.М. Оцінка теплової надійності вітражної системи «Spider» / О.М. Білоус // Сучасне промислове та цивільне будівництво. - 2009. - Т. 5, № 3. - С. 99-108.

2. Тимофєєв М.В. Необхідність натурних теплофізичних досліджень індивідуальних будівель з металевим каркасом / М.В. Тимофєєв, О.М. Білоус // Вісник Донбаської нац. акад. буд-ва і арх-ри. - 2007. - Вип. 1(63). - С. 122-125. (Здобувачем виконано розрахунки з теплостійкості).

3. Тимофеев Н.В. Натурные теплофизические исследования светопрозрачных фасадных систем в летних условиях / Н.В. Тимофєєв, А.Н. Белоус // Вісник Донбаської нац. акад. буд-ва і арх-ри. - 2008. - Вип. 6(74). - С. 112-115. (Здобувачем виконано натурні випробування світлопрозорих огороджувальних конструкцій в літній період року).

4. Білоус О.М. Теплова надійність світлопрозорих огороджень за літніх умов експлуатації / О.М. Білоус // Вісник Донбаської нац. акад. буд-ва і арх-ри. - 2009. - Вип. 5(79). - С. 90-94.

5. Фаренюк Г.Г. Методика лабораторних досліджень теплостійкості огороджень / Г.Г. Фаренюк, М.В. Тимофєєв, О.М. Білоус // Зб. наук. праць. - К.: НДІБК, 2008. - Вип. 68. - С. 131-137. (Здобувачем розроблено лабораторний стенд з випробувань вітражних систем та збір кліматичних даних щодо літніх розрахункових умов).

6. Білоус О.М. Критерій оцінки теплостійкості світлопрозорого огородження в літній період року / О.М. Білоус // Зб. наук. праць. - К.: НДІБК, 2008. - Вип. 72. - С. 631-634.

7. Тимофєєв М. В. Натурні спостереження та теоретичні розрахунки вітражної системи в літній період / М. В. Тимофєєв, О.М. Білоус // Наук.-техн. збірн. Сучасні проблеми будівництва. - Донецьк: Донецький ПромбудНДІпроект, 2009. - №7 (12). - С. 58-62. (Здобувачем виконано натурні випробування та запропонована схема теоретичного розрахунку вітражних систем в літній період року).

8. Настанова з розроблення та складання енергетичного паспорта будинків при новому будівництві та реконструкції : ДСТУ-Н Б А.2.2-5:2007 - [Чинний від 2008-07-01]. - К.: Мінрегіонбуд України, 2008. - 43 с. - (Національний стандарт України). (Здобувачем додане значення сонячної радіації на вертикальну поверхню за різними сторонами світу).

9. Методи визначення теплостійкості огороджувальних конструкцій : ДСТУ Б В.2.6-100:2010 - [Чинний від 2010-01-01]. - К.: Мінрегіонбуд України, 2008. - 45 с. - (Національний стандарт України). (Здобувачем внесено методику лабораторних досліджень світлопрозорих огороджувальних конструкцій та запропоновано критерій оцінки світлопрозорих огороджувальних конструкцій).

10. Метод визначення опору теплопередачі огороджувальних конструкцій : ДСТУ Б В.2.6-101:2010 - [Чинний від 2010-01-01]. - К.: Мінрегіонбуд України, 2008. - 83 с. - (Національний стандарт України). (Здобувачем уточнена методика визначення опору теплопередачі світлопрозорого огородження).

11. Розрахунки теплової ізоляції будівель: навчальний посібник [М.В. Тимофєєв, С.О. Сахновська, О.М. Білоус]. - Макіївка: ДонНАБА, 2009. - 62с. (Здобувачем створено розділ «Теплостійкість огороджувальних конструкцій»).

12. Белоус А.Н. Тепловая надежность светопрозрачных ограждений в летний период / А.Н. Белоус //Сб. науч. докладов І Межд. научно-практ. конф. «Научно-техническое творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях». - М.: МГСУ, 2009. - С. 37-39.

Размещено на Allbest.ru

...