Совершенствование теплозащиты совмещенных покрытий гражданских зданий в условиях сухого жаркого климата

Вентиляционные отверстия необходимо закрывать решеткой или сеткой. В вентилируемых покрытиях зданий шириной более 20 м рекомендуется вытяжные шахты. При искусственной вентиляции помещений под вентилируемыми крышами должно быть пониженное давление. В противном случае тепло из помещений будет выдавлено в воздушную прослойку крыши [1].

Наиболее удачным решением является железобетонная монолитная плита толщиной более 10 см, по которой уложен гидроизоляционный ковер с армоцементным защитным слоем. В качестве противорадиационной защиты могут быть использованы бетонные плитки, укладываемые на угловые утолщения самих плиток (рис.1.17а) или на специально установленные для этих целей бетонные столбики (рис. 1.17б).

Рис. 1. 17. Пример конструктивного решения устройства вентилируемой воздушной прослойки а - устройство крыши с покрытием из противосолнечных плиток; 1- солнцезащитная плитка; 2 - воздушная прослойка; 3 - железобетонная плита покрытия; б - двойные вентилируемые крыши; 1 - железобетонная монолитная плита; 2 - керамические блоки; 3 - выпуски арматуры; 4 - бетонные пустотелые столбики; 5 - плитки из легкого бетона; 6 - армированная цементная стяжка; 7 - гидроизоляция; 8 - бетонный бортик; 9 - керамический или цементный лоток; 10 - цементная стяжка; 11 - латунный компенсатор; 12 - керамические блоки; 13 - кирпичные столбики.

Вентилируемая воздушная прослойка между железобетонной плитой и бетонными плитками резко снижает тепловое напряжение и температуру нижней поверхности покрытия, а также повышает теплозащитные свойства.

Ограждение не должно осложнять конструкцию кровли и мешать вентиляции пространства покрытия (рис.1.18).

Рис.1.18. Ограждение плоского покрытия, обеспечивающее беспрепятственное движение воздуха по его поверхности

Особенностью вентилируемой совмещенной крыши является постоянно проветриваемая полость, высотой не менее 5 см, над теплоизоляционным слоем. Для устройства этой полости предусматривают еще одно легкое покрытие. Характерно, что такая крыша не требует пароизоляционного слоя.

Утеплителем для вентилируемых крыш, в которых отсутствует уплотнение их вышележащими слоями, могут быть, например, минераловатные плиты или фибролит цементный [3].

Вентилируемое совмещенное покрытие также применяется над зданиями с избыточной влажностью (баня, прачечная, бассейн). В гражданских зданиях рекомендуется применять вентилируемые, частично вентилируемые или с полупроходным чердаком крыши [35].

В последнее время широкое распространение получили, так называемые, двойные покрытия (рис.1.19), пригодные для строительства в жарком сухом климате, выполненные в виде второй кровли, расположенной над основной.

Рис. 1.19. «Кровля- бабочка» над зданием Верховного суда в Чандигархе (Индия)

Верхняя оболочка двойного покрытия затеняет нижнюю и воспринимает радиационную теплоту. Пространство между двумя оболочками, омываемое потоками свободно циркулирующего воздуха и уносящего с собой избыток теплоты, защищает оболочку от перегрева.

Определенный эффект дают также крыши - козырьки в виде наклонных экранов из листовых материалов. Их уклон и ориентация еще значительнее ослабляют тепловое действие на кровлю. Наиболее интенсивное проветривание обеспечивается при угле 10⁰ . В этом случае получается максимальное вихреобразование. При иных углах возникают застойные зоны, в которых скорость воздуха падает [13].



1.4 Цели и задачи исследований

В основу диссертационной работы положена следующая рабочая гипотеза: повышение теплозащитных свойств совмещенных покрытий гражданских зданий может быть достигнуто за счет создания интенсивно вентилируемых пространств под воздействием господствующего ветра.

В связи с изложенным предположением, определена цель исследований: научное обоснование эффективности применения интенсивно вентилируемых пространств под воздействием господствующего ветра в составе совмещенного покрытия гражданских зданий для создания благоприятного микроклимата помещений в летний период.

Исходя из цели исследований, анализа литературных данных были поставлены следующие задачи:

1) установить форму покрытия здания, обеспечивающую режим интенсивной вентиляции воздушного пространства крыши;

2) определить толщины утеплителя в покрытии, обеспечивающие выполнение требований по каждому из установленных нормами уровней теплозащиты;

3) разработать конструктивное решение совмещенного покрытия гражданского здания, обеспечивающего требуемый уровень теплозащиты по зимним и летним условиям эксплуатации.

1.5 Выводы по главе

1. На формирование внутренней среды помещений гражданских зданий существенное влияние оказывает климат местности и теплозащитные свойства наружных ограждающих конструкций. При этом в условиях летней эксплуатации на территории Республики Узбекистан, находящейся в зоне сухого жаркого климата, особая роль отводится конструктивному решению покрытия (крыши), испытывающему наибольшее тепловое воздействие от солнечной радиации.

2. В объеме крыши протекают сложные теплофизические процессы, обусловленные резкими пространственными и временными колебаниями температуры, неоднородной солнечной облученностью ее поверхностей, диффузией и конвективным переносом водяного пара. В связи с этим, при разработке энергоэффективных покрытий необходим учет особенностей формирования эксплуатационной среды для всех составляющих их элементов.

3. Наибольшее распространение в массовом гражданском строительстве получили совмещенные вентилируемые и невентилируемые покрытия, обладающие в основном недостаточными теплозащитными свойствами, особенно в летних условиях эксплуатации.

4. В результате анализа современных способов повышения теплозащиты совмещенных покрытий гражданских зданий в условиях летнего перегрева выявлен возможный путь их совершенствования - устройство в составе покрытия интенсивно вентилируемых пространств.

2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1 Объекты исследований. Материалы и конструкции

В качестве предмета исследований выбрана конструкция совмещенных покрытий гражданских зданий, расположенных на территории Республики Узбекистан.

Совмещенная крыша представляет собой конструкцию, объединяющую вместе чердачное перекрытие и кровлю. Основными элементами совмещенной крыши являются настил, утеплитель, пароизоляция и кровля.

Теплотехнические характеристики используемых в исследованиях материалов представлены в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Теплотехнические характеристики строительных материалов

Материал	Характеристики материала в сухом состоянии	Расчетные коэффициенты (при условиях эксплуатации А)
	плотно-сть г0, кг/м3	удельная теплоем-кость С0 , кДж/(кгх х0С)	коэфф. теплопро-водности л0, Вт/(мх0С)	теплопро-водности л, Вт/(мх0С)	теплоус-воения S, Вт/(м2 х0С)	паропро-ницае-мости м, мг/(м х х ч х Па)
Железобетонная плита	2500	0,84	1,69	0,92	17,98	0,03
Цементно-песчанный плита с использованием керамзитового песка	1800	0,84	0,66	0,80	10,50	0,09
Пенополистирол	150	1,34	0,05	0,052	0,89	0,05
Маты из стекловолокна	150	0,84	0,061	0,064	0,80	0,53
Минераловата на базальтовым волокне	24	0,84	0,84	0,058	1,32	0,41
Выравнивающая стяжка из асфальтобетона	2100	1,68	1,05	1,05	16,43	0,008
Рубероид	600	1,68	0,17	0,17	3,53	1,1

А - параметр для сухого и нормального режима помещений.



2.2 Принятые методы исследований

2.2.1 Методика модельного эксперимента

Любое экспериментальное исследование может выполняться либо на натурном объекте, либо на модели, разработанной в соответствии с требованиями теории подобия. Натурные опыты, как правило, очень сложны и требуют большой затраты труда, время и средств. Кроме того, эксперимент в натурных условиях всегда «затемнен» второстепенными деталями, что существенно мешает установлению основных закономерностей.

Таким образом, для проведения экспериментальных исследований была сконструирована и изготовлена установка, включающая макет совмещенного покрытия с кровлей - бабочкой размером в плане (60 x 35)см; имитатор солнечного освещения в виде лампы накаливания мощностью 1000 Вт, размещенной в трубе диаметром 160 мм с внутренней поверхностью черного цвета, обеспечивающей направленное воздействие света; имитатора действия ветра в виде вентилятора; датчиков температуры для замеров поверхностной температуры частей конструкции покрытия; крыльчатого анемометра для определения скорости движения воздуха, создаваемого вентилятором (рис.2.1).

При разработке макета конструкции покрытия условно (для упрощения эксперимента) было принято:

- совмещенное покрытие - однослойное, состоит из цементно-песчаной плиты с использованием керамзитового песка толщиной 20 мм;

- кровля - бабочка изготовлена из стального листа толщиной 2 мм.

Для обеспечения свободного изменения угла наклона «крыльев бабочки» кровли к поверхности покрытия в центре кровли предусмотрен шарнир. Между покрытием и кровлей (в месте шарнира) предусмотрен зазор высотой 50 мм.

Рис. 2.1. Экспериментальная установка 1 - цементно-песчаная плита; 2 - кровля-бабочка из стального листа; 3 - лампа мощностью 1000 Вт; 4 - стальная труба Ш 160 мм; 5 - вентилятор; 6 - датчики температуры; 7 - крыльчатый анемометр

Скорость воздушного потока, создаваемая вентилятором, регулировалась изменением расстояния от макета до вентилятора, а контроль над ее значением осуществлялся анемометром.

Для обеспечения угла падения лучей света, имитирующих солнечное воздействие в период полуденного летнего солнцестояния (72⁰), на макет были определены расстояние от лампы накаливания до макета и высота крепления лампы, которые составили соответственно 60 см и 185 см.

При проведении экспериментов одновременно снимались показания с двух поверхностных термометров, один из которых был закреплен на нижней поверхности «кровли-бабочки», а второй - на нижней поверхности плиты покрытия. Различная степень нагрева достигалась путем варьирования длительностью воздействия лампы накаливания. При этом фиксировалось время воздействия, которое затем использовалось при проведении «эталонного» эксперимента, проводимого на совмещенном покрытии без установленной на нем кровли-бабочки. По времени воздействия лампы накаливания оценивали идентичность нагрева поверхности.

Для проведения исследований был применен метод математического планирования эксперимента.

В качестве трех изменяемых факторов приняты:

- угол наклона «крыльев бабочки» (от 0 до 30⁰);

- ориентация покрытия по отношению к господствующему ветру (от 0 до 90⁰);

- высота центра «бабочки» над кровлей (от 1 до 5 см);

Методика планирования эксперимента представлена в следующем разделе данной главы.

Результаты экспериментальных исследований обработаны методами математической статистики. Были определены числовые характеристики случайной величины, оценки математического ожидания, оценки дисперсности, среднее квадратичное отклонение, коэффициент вариации и показатель точности [3].

Оценка для математического ожидания случайной величины определяется по формуле:

, (2.1)

где х_i - температура на внутренней поверхности покрытия при i-ом замере,

n - количество замеров.

Оценка дисперсии случайной величины:

(2.2)



Среднее квадратичное отклонение, называемое также среднеквадратичной ошибкой, является производной от дисперсии и определяется по формуле:

(2.3)

Выражая среднеквадратичное отклонение в % от величины математического ожидания, получим коэффициент вариации:

(2.4)

Среднее квадратичное отклонение оценки математического ожидания:

(2.5)

Показатель точности испытаний:

(2.6)

2.2.2 Математическое планирование эксперимента

Главным условиям оптимального проектирования является создание необходимых количественных зависимостей, позволяющих прогнозировать необходимые результаты для конечного итога. Критерии оптимизации при использовании активного планирования эксперимента могут быть различными. В нашем случае наиболее предпочтительны теплотехнические параметры из-за возможности осуществления эффективного контроля. Планирование эксперимента производились в соответствии с [14, 15].

Выбор факторов, определяющих изменение оптимизируемых параметров, осуществляется на основании конкретной задачи. В этом случае необходимо перейти к планированию эксперимента второго порядка, описываемого в общем случае полиномом второй степени:

(2.7)

где в_0, в_i, в_ij - статистические оценки истинных коэффициентов регрессии.

В нашим случае (3-х факторный эксперимент):

y = в₀+ в₁ х₁ + в₂ х₂ + в₃ х₃ + в₁₁ х₁²+ в₂₂ х₂² + в₃₃ х₃²+ в₁₂ х₁ х₂ + в₁₃ х₁ х ₃+ в₂₃ х₂ х_{3 .} (2.8)

Для постановки эксперимента был применен близкий к Д - оптимальный план второго порядка В₃, требующий сравнительно небольшого количества опытов при удовлетворительных статистических характеристиках [15]. Матрица плана приведена в табл. 2.2.

Вычисление коэффициентов уравнения регрессии произведено по формуле:

(2.9)

где l_ui - элемент матрицы L , соответствующий u - ому опыту и i - ому фактору, его квадрату или взаимодействию факторов. Значения l_ui представлены в табл. 2.3. y_u - значения выхода в u - ом опыте (экспериментальные данные).



Таблица 2.2

Матрица 3-факторного плана 2-го порядка

№ опыта	Матрица планирования ( хi )	Квадраты переменных ( хi )2	Взаимодействие ( хi хj )
	Х1	Х2	Х3	Х12	Х22	Х32	Х1 х2	Х 1 х3	Х 2 х3
N1	1	+	+	+	+	+	+	+	+	+
	2	-	+	+	+	+	+	-	-	+
	3	+	-	+	+	+	+	-	+	-
	4	-	-	+	+	+	+	+	-	-
	5	+	+	-	+	+	+	+	-	-
	6	-	+	-	+	+	+	-	+	-
	7	+	-	-	+	+	+	-	-	+
	8	-	-	-	+	+	+	+	+	+
N2	9	+	0	0	+	0	0	0	0	0
	10	-	0	0	+	0	0	0	0	0
	11	0	+	0	0	+	0	0	0	0
	12	0	-	0	0	+	0	0	0	0
	13	0	0	+	0	0	+	0	0	0
	14	0	0	-	0	0	+	0	0	0
h0	15	0	0	0	0	0	0	0	0	0
	16	0	0	0	0	0	0	0	0	0
	17	0	0	0	0	0	0	0	0	0

Проверка равноточности измерений (однородности выборочных дисперсий) проведена по критерию Кохрена, для этого составляется G -статистика согласно рекомендациям [14, 15].

(2.10)

Для каждого параметра G_p < G_т , следовательно, при выбранном уровне значимости гипотеза об однородности оценок дисперсий не отвергается.



Таблица 2.3

Матрица L для вычисления коэффициентов регрессии по плану В₃

№ пп	Матрица
	0	1	2	3	11	12	13	22	23	33
1	-0,063	0,100	0,100	0,100	0,063	0,125	0,125	0,063	0,125	0,063
2	-0,063	0,100	0,100	0,100	0,063	0,125	0,125	0,063	0,125	0,063
3	-0,063	0,100	0,100	0,100	0,063	0,125	0,125	0,063	0,125	0,063
4	-0,063	0,100	0,100	0,100	0,063	0,125	0,125	0,063	0,125	0,063
5	-0,063	0,100	0,100	0,100	0,063	0,125	0,125	0,063	0,125	0,063
6	-0,063	0,100	0,100	0,100	0,063	0,125	0,125	0,063	0,125	0,063
7	-0,063	0,100	0,100	0,100	0,063	0,125	0,125	0,063	0,125	0,063
8	-0,063	0,100	0,100	0,100	0,063	0,125	0,125	0,063	0,125	0,063
9	0,250	-0,100	0	0	0,250	0	0	-0,250	0	-0,250
10	0,250	0,100	0	0	0,250	0	0	-0,250	0	-0,250
11	0,250	0	0,100	0	-0,250	0	0	0,250	0	-0,250
12	0,250	0	0,100	0	-0,250	0	0	0,250	0	-0,250
13	0,250	0	0	0,100	-0,250	0	0	-0,250	0	0,250
14	0,250	0	0	0,100	-0,250	0	0	-0,250	0	0,250

После вычисление параметров модели и получения уравнения регрессии проверяется гипотеза об их адекватности по дисперсионному отношению Фишера:

, (2.11)

K - число повторных измерений в каждом точке плана,

m - число коэффициентов в уравнении регрессии.

При F_р < F_табл гипотеза об адекватности полученного уравнения не отвергается.

Проверка коэффициентов регрессии на значимость произведена по t - критерию Стьюдента [14, 15]:

(2.12)

по группам коэффициентов, начиная с самого малого по абсолютной величине.

2.2.3 Методика теплотехнических расчетов

В диссертационной работе, помимо экспериментальных методов исследований, использовались и теоретические расчетные для определения сопротивления теплопередаче и теплоустойчивости ограждающих конструкций. Расчеты велись на основе действующих нормативных документов [10,11].

Требуемое сопротивление теплопередаче R_о^тр наружной ограждающей конструкции, исходя из санитарно-гигиенических требований, определялось по формуле

R_о^тр = n ( t_в - t_н) / (Дt^н б_в) , ( 2.13 )

где n - коэффициент, определяемый в зависимости от положения наружной поверхности ограждающих конструкций по отношению к наружному воздуху;

t_в - расчетная температура внутреннего воздуха, ⁰С, определяемая в зависимости от назначения здания;

t_н - расчетная зимняя температура наружного воздуха, принимаемая в зависимости от района строительства и тепловой инерции ограждающей конструкции, ⁰С;

Дt^н - нормативный температурный перепад между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности ограждающей конструкции, принимаемый в зависимости от местоположения ограждения и назначения здания, ⁰С;

б_в- коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающих конструкций, Вт/ (м²·⁰С).

Тепловая инерция D ограждения определялась по формуле

D = R₁S₁ + R₂S₂ + ….+ R_nS_n, ( 2.14 )

где R₁, R₂, …, R_n - термические сопротивления отдельных слоев ограждения, (м²·⁰С)/Вт;

S₁, S₂, …, S_n - расчетные коэффициенты теплоусвоения материала отдельных слоев ограждения, Вт/ (м²·⁰С).

Термическое сопротивление R, слоя многослойной ограждающей конструкции определяли по формуле

R = д / л, (2.15)

где д - толщина слоя, м;

л - расчетный коэффициент теплопроводности материала слоя, Вт/ (м·⁰С);

Сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции R₀ , определяли по формуле

R₀ = 1/б_в +У( д_i / л_i) + 1/б_н , (2.16 )

где б_н - коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждения, Вт/ (м²·⁰С).

Требуемое сопротивление теплопередаче по условиям энергосбережения определялось в зависимости от градусо-суток отопительного периода (ГСОП) по следующей зависимости:

R₀= 1/S_a^1/2, м^2.0С/Вт, (2.17)

где S_a - безразмерный критерий, имеющий глубокий теплофизический и экономический смысл. Он показывает, насколько теплопотери 1 м² ограждающей конструкции, сопротивление теплопередаче которой R^*₀, больше или меньше тепловой энергии, затраченной на ее создание и монтаж за срок службы ограждения.

S_a = Q^*_k· R^*₀/(24· ГОСП ·Z), (2.18)

где Q^*_k - энергоемкость, Вт^.ч 1м² элемента наружного ограждения, сопротивление теплопередаче которого R^*₀ = 1 м^2.0С/Вт;

ГОСП определялись по формуле:

ГОСП = (t_в - t_от.пер)Z_от.пер, ( 2.19)

где t_в - температура внутреннего воздуха, ⁰С;

t_от.пер - температура отопительного периода, определяемая по КМК [10];

Z_от.пер - продолжительность отопительного периода, определяемая по КМК [10];

Z - безразмерная величина, численно равная сроку службы ограждения.

Расчет требуемого сопротивления теплопередаче по условиям энергосбережения выполнялся с использованием расчетной программы для персонального компьютера.



Для расчета на теплоустойчивость определялась:

-требуемая амплитуда колебаний температуры внутренней поверхности ограждающей конструкции А_{ф в}^тр:

(2.20)

где - среднемесячная температура наружного воздуха за июль, ⁰С;

- величина затухания расчетной амплитуды колебаний температуры

наружного воздуха н в ограждающей конструкции. Для ограждения, состоящего из однородных слоев, н определялась по формуле:

, (2.21)

где D =R₁s₁+R₂s₂ + ••• + R_is_i - тепловая инерция;

R_i - термическое сопротивление i-го слоя, м²•⁰С/Вт,

s_{i ?}? коэффициент теплоусвоения материала i-го слоя, Вт/(м²•⁰С);

a_в - коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающей конструкции, Вт/(м²•⁰С);

a_н - коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждающей конструкции по летним условиям, Вт/(м²•⁰С);

Y_i - коэффициент теплоусвоения наружной поверхности i-го слоя, Вт/(м²•⁰С).

- расчетная амплитуда колебаний температуры наружного воздуха в июле А_tн^расч:



, (2.22)

где? A_tн - максимальная амплитуда суточных колебаний наружного воздуха в июле,⁰С;

I_max - максимальное значение суммарной прямой солнечной радиации (западная ориентации вертикальной стены), Вт/м²;

- среднее значение рассеянной солнечной радиации, Вт/м²;

a_н - коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждающей

конструкции по летним условиям, Вт/(м²•⁰С).

-амплитуда колебаний температуры внутренней поверхности ограждения А_фв, ⁰С:

(2.23)

Если A_?в , то ограждающая конструкция удовлетворяет требованиям норм по теплоустойчивости.

Расчет на теплоустойчивость выполнялся с применением программного комплекса «BASE» ( версия 7.3).

3. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ СОВМЕЩЕННЫХ ПОКРЫТИЙ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ ГРАЖДАНСКИХ ЗДАНИЙ

3.1 Исследование влияния формы покрытия на формирование тепловых потоков в подкровельном пространстве

В летний период, когда снаружи жарче, чем внутри, здание поглощает тепло. Этот процесс называется притоком тепла (это тепло добавляется к солнечному теплу). Попытки проектировщиков уменьшить уровень перетока тепла в здание или из него и преследуют цель экономии энергии в строительном проектировании [28]. Обычно основное внимание при этом в условиях сухого жаркого климата уделяется уменьшению притока тепла в летний период. Система охлаждения и кондиционирования воздуха для борьбы с солнечным перегревом покрытий экономически нецелесообразна, поэтому солнцезащитой зданий должно служить само покрытие. Совершенствование покрытий зданий повышает их эксплуатационные качества, зависящие от надежности, долговечности и способов защиты от перегрева. С этой целью было сконструировано совмещенное покрытие с кровлей - «бабочкой» (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Макет совмещенного покрытия с кровлей - бабочкой

На первом этапе необходимо было, установить: влияет ли форма покрытия на формирование тепловых потоков в подкровельном пространстве. На втором этапе определить угол, обеспечивающий наиболее интенсивное проветривание. Для этого были проведены экспериментальные исследования. Во время всех экспериментов температура нагрева крыльев достигала 45⁰С при воздействии лампы в течение 3 часов, а скорость ветра составляла 5 м/с, воздействие длилось 30 минут. Методика проведения эксперимента изложена в разделе 2.2.

Исходя из перечня нормируемых параметров, выходным параметром выбрана температура нагрева нижней поверхности покрытия. В качестве переменных факторов, определяющих изменение оптимизируемого параметра приняты: угол наклона крыльев, направление ветра и высота центра «бабочки» над кровлей.

Условия планирования эксперимента и интервалы варьирования факторов приведены в табл. 3.1. Выбор нулевых уровней произведен с учетом следующих требований:

- оптимизируемый параметр должен принимать наилучшие значения;

- координаты нулевых уровней должны лежать внутри областей определения на некотором расстоянии от их границ.

Таблица 3.1

Уровни и интервалы варьирования факторов

Факторы	Ед. изм.	Код	Уровни варьирования	Интервал варьирования
			_	0	+
Высота центра «бабочки» над кровлей	см	X 1	1	3	5	2
Угол наклона крыльев	град	X2	0	15	30	15
Направление ветра	град	X3	0	45	90	45

Далее была проведена реализация активного эксперимента. Выходные данные приведены в табл. 3.2.

Таблица 3.2

Расчетные и экспериментальные данные активного эксперимента

№ пп	Экспериментальные значения переменных	Выходные данные, МПа	Расчетные величины, МПа
	Х1	Х2	Х3	У1	У2	У3	Уср	Ур1	Ур2
1	5	30	90	30,9	32,6	32,8	32,1	32,04	32,76
2	1	30	90	33,7	31,6	31,6	32,3	32,23	32,45
3	5	0	90	31,0	30,6	33,2	31,6	31,65	31,78
4	1	0	90	31,4	32,0	30,8	31,4	31,44	31,47
5	5	30	0	32,8	31,2	31,4	31,8	31,74	32,24
6	1	30	0	31,8	31,9	32,0	31,9	31,83	31,93
7	5	0	0	30,9	32,3	30,4	31,2	31,25	31,25
8	1	0	0	30,4	30,9	31,5	30,9	30,94	31,94
9	5	15	45	31,4	31,3	30,6	31,1	31,11	31,44
10	1	15	45	30,5	31,2	31,3	31,0	31,05	31,13
11	3	30	45	30,2	30,8	31,3	30,7	30,95	31,33
12	3	0	45	31,1	30,4	30,0	30,5	30,31	30,34
13	3	15	90	29,9	29,7	29,6	29,7	29,73	30,00
14	3	15	0	29,0	29,4	29,5	29,3	29,33	29,47
15	3	15	45	29,0	29,8	30,9	29,9	29,79	30,01
16	3	15	45	29,9	30,2	28,7	29,6	29,79	30,01
17	3	15	45	29,2	29,6	30,6	29,8	29,79	30,01

Проверка равноточности измерений (однородности выборочных дисперсий) проведена по критерию Кохрена, для этого составлялась G - статистика. С вероятностью Р = 0,95 измерения во всех точках равноточны, так как

G = 0,0719 < G^T = 0,2439

Следовательно, при выбранном уровне значимости гипотеза об однородности оценок дисперсий не отвергается с вероятностью 0,95.

В результате подсчета коэффициентов было получено уравнение регрессии:



У = 32,47 - 1,848 Х₁ - 0,078 Х₂ + 0,0177 Х₃ + 0,321 Х₁² + 0,0037 Х₂² - 0,00013 Х₃² - 0,0034 Х₁ Х₂ - 0,00028 Х₁ Х₃ - 0,000037 Х₂ Х₃ (3.1)

Расчетные значения У по формуле (3.1) представлены в табл. 3.2.

Гипотеза об адекватности полученного уравнения проверена по дисперсионному отношению Фишера: F_р = 1,7 < F_табл = 2,9

Таким образом, гипотеза об адекватности полученного уравнения не отвергается.

После статистического анализа коэффициентов регрессии на значимость по t - критерию Стьюдента и учитывая корреляцию между коэффициентами, были исключены незначимые коэффициенты и получено следующее уравнение, описывающее исследуемую зависимость:

У = 32,47 - 1,848 Х₁ - 0,078 Х₂ + 0,0177 Х₃ + 0,321 Х₁² + 0,0037 Х₂² - 0,00013 Х₃² (3.2)

Расчетные значения У по формуле (3.2) приведены в табл. 3.2.

Гипотеза об адекватности полученного уравнения (3.2) проверена по дисперсионному отношению Фишера: F_р = 2,1 < F_табл = 2,9

Гипотеза об адекватности уравнения (3.2) с вероятностью Р = 0,95 также не отвергается.

На основании полученного уравнения регрессии (3.2) были построены зависимости нагрева нижней поверхности покрытия от направления ветра (рис. 3.2), угла наклона крыльев (рис. 3.3) и высоты «бабочки» над кровлей (рис. 3.4).

Рис. 3.2. Зависимость нагрева нижней поверхности покрытия от направления ветра

Анализ зависимости температуры нагрева на внутренней поверхности от направления ветра показал, что нагрев нижней поверхности покрытия при направлении ветра от 45⁰ до 80⁰ достигает наибольших значений, так как в этих углах самое низкое восприятие скоростного напора ветрового потока, приближаясь к 90⁰ значение уменьшается, при направлении ветра 0⁰ наблюдается наименьшее значение температуры нагрева, так как скоростной поток в данных областях воспринимается в полной мере.

Рис. 3.3. Зависимость нагрева нижней поверхности покрытия от угла наклона крыльев «бабочки»

Исходя из анализа зависимости между температурой нагрева нижней поверхности покрытия и угла наклона «крыльев», можно определить, что наиболее интенсивное проветривание обеспечивается при угле 12⁰. При данном угле получается максимальное вихреобразование. При большем угле возникают застойные зоны, в которых скорость воздуха падает. При меньшем угле снижается интенсивность вихрей и следовательно, средняя скорость воздуха.

Анализ зависимости температуры нагрева нижней поверхности покрытия от высоты центра «бабочки» над поверхностью (рис. 3.4) показал, что оптимальная высота центра «бабочки» над кровлей составляет 3см. При этой высоте температура нагрева нижней поверхности минимальна. Если высота более или менее 3см температура нагрева поверхности возрастает.

Рис. 3.4. Зависимость нагрева нижней поверхности покрытия от высоты центра «бабочки» над кровлей

Исходя из вышесказанного, наиболее эффективный вариант получается когда угол наклона «крыльев» 12⁰ при высоте центра «бабочки» над кровлей (l - длина здания), при направление ветра 0⁰ то есть ветер направлен вдоль здания. Таким образом, кровля - «бабочка» дает возможность снизить летний перегрев помещений и, тем самым, способствовать улучшению микроклимата в жаркий период времени.

3.2 Теплотехнические расчеты совмещенных покрытий в климатических условиях Узбекистана

Для определения конструктивного решения покрытия, а именно, установления материала утеплителя и его толщины, соответствующих требуемым уровням теплозащиты по зимним условиям эксплуатации, требованиям теплоустойчивости по летним условиям эксплуатации, а также экономическим требованиям, были выполнены теоретические исследования - теплотехнические расчеты при помощи программного комплекса «BASE - 7» и технико-экономические расчеты. В качестве района строительства выбран г. Ташкент. Климатические характеристики Ташкента представлены в табл. 3.3.

Расчеты выполнялись на основе действующих нормативных документов Республики Узбекистан [10, 11].

Таблица 3.3

Параметры наружного воздуха

Населенный пункт	Климатическая зона РУз	Средняя максимальная температура наиболее жаркого месяца, 0С	Средняя минимальная температура наиболее холодного месяца, 0С	Температура наиболее холодных, С0	Число дней с максимальной температурой ?340С
				суток с обеспеченностью 0,92	пятидневки с обеспеченностью 0,98
г. Ташкент	II	35,4	-4,2	16	16	49



При этом, кровля - «бабочка» не учитывалась, считая, что эффект от ее устройства будет направлен на улучшение микроклимата помещений.

На первом этапе необходимо было подобрать эффективный теплоизоляционный материал в качестве утеплителя. Для этого были рассмотрены:

- пенобетон с с = 600 кг/м³;

- маты минераловатные с с = 50 кг/м³;

- Rockwool “ЛАЙТ БАТТС К” с с = 31 кг/м³.

Одним из важнейших условий расчета является то, что приведенное сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций R₀ должно быть не менее значения R^тр₀ , определяемого по формуле 2.13, исходя из санитарно-гигиенических условий.

Расчеты выполнены для двух уровней теплозащиты - второго и третьего, согласно КМК [11].

Результаты расчетов приведены в таблицах 3.4. и 3.5., а также в приложении.

Таблица 3.4

Определение толщины теплоизоляционного слоя для второго уровня теплозащиты

Населенный пункт	Вид теплоизоляционного материала и его средняя плотность, кг/м3	Температура внутреннего воздуха, 0С	Средняя температура отопительного периода, 0С	Продолжительность отопительного периода, дн.	ГСОП	R0тр. ,м2 0С/Вт	R0факт. ,м2 0С/Вт	Толщина утеплителя, м
г. Ташкент	Пенобетон, с =600 кг/м3	+20	2,7	129	2232	2,1	2,14	0,4
	Маты минераловатные, с = 50 кг/м3						2,83	0,13
	Rockwool “ЛАЙТ БАТТС К”, с = 31 кг/м3						2,94	0,11

Таблица 3.5

Определение толщины теплоизоляционного слоя для третьего уровня теплозащиты

Населенный пункт	Вид теплоизоляционного материала и его средняя плотность, кг/м3	Температура внутреннего воздуха, 0С	Средняя температура отопительного периода, 0С	Продолжительность отопительного периода, дн.	ГСОП	R0тр. , м2 0С/Вт	R0факт. , м2 0С/Вт	Толщина утеплителя, м
г. Ташкент	Пенобетон, с =600 кг/м3	+20	2,7	129	2232	3,7	3,73	0,75
	Маты минераловатные, с = 50 кг/м3						3,79	0,18
	Rockwool “ЛАЙТ БАТТС К”, с = 31 кг/м3						3,9	0,15

Далее была произведена оценка теплоустойчивости ограждения. Результаты расчета на теплоустойчивость по летним условиям эксплуатации приведены в табл. 3.6 и 3.7.

Таблица 3.6

Результаты расчетов на теплоустойчивость по летним условиям эксплуатации покрытия, соответствующего второму уровню теплозащиты

Населенный пункт	Вид теплоизоляционного материала, кг/м3	Коэффициенты теплопроводности, л, (ккал/мч град)	Сопротивление теплопередаче ограждающих конструкции R0тр.,м2 0С/Вт	Толщина утеплителя, м	AфBТР	AфB
г. Ташкент	Пенобетон, с =600 кг/м3	0,22	2,1	0,4	1,89	0,3
	Маты минераловатные, с = 50 кг/м3	0,052		0,13	1,89	1,88
	Rockwool “ЛАЙТ БАТТС К”, с = 31 кг/м3	0,042		0,11	1,89	1,86



Таблица 3.7

Результаты расчетов на теплоустойчивость по летним условиям эксплуатации покрытия, соответствующего третьему уровню теплозащиты

Населенный пункт	Вид теплоизоляционного материала, кг/м3	Коэффициенты теплопроводности, л, (ккал/мч град)	Сопротивление теплопередаче ограждающих конструкции R0тр., м2 0С/Вт	Толщина утеплителя, м	AфBТР	AфB
г. Ташкент	Пенобетон, с =600 кг/м3	0,22	3,7	0,75	1,89	0,01
	Маты минераловатные, с = 50 кг/м3	0,052		0,18	1,89	1,42
	Rockwool “ЛАЙТ БАТТС К”, с = 31 кг/м3	0,042	3,7	0,15	1,89	1,34

Результаты расчетов на теплоустойчивость показали, что конструктивные решения покрытий, принятых по расчету на теплопередачу и соответствующие II и III уровню теплозащиты, удовлетворяют требованиям эксплуатации по летним условиям.

На втором этапе был произведен сравнительный расчет технико-экономической эффективности применения теплоизоляционных материалов в качестве утеплителя. Сравнение производилось по стоимости утеплителя, а также по величине нагрузки, приходящейся на плиту покрытия.

Таблица 3.8

Технико-экономическое сравнение по стоимости теплоизоляционного материала для II уровня

Наименование теплоизоляционного материала	Расход на 1м2 кровли, м3	Цена 1 м3, сум	Стоимость 1м2 утепления, сум
Пенобетон	0,4	165000	66000
Минеральная вата рулонная	0,13	106570	13860
Rockwool “ЛАЙТ БАТТС К”	0,11	130017*	14300*

* значение цены с учетом НДС, но стоимость доставки не входит в цену.



Таблица 3.9

Технико-экономическое сравнение по стоимости теплоизоляционного материала для III уровня

Наименование теплоизоляционного материала	Расход на 1м2 кровли,м3	Цена 1 м3, сум	Стоимость 1м2 утепления, сум
Пенобетон	0,75	165000	124060
Минеральная вата рулонная	0,18	106570	19200
Rockwool “ЛАЙТ БАТТС К”	0,15	130017*	19530*

* значение цены с учетом НДС, но стоимость доставки не входит в цену.

Таблица 3.10

Нагрузка, приходящаяся на 1м² покрытия

Наименование теплоизоляционного материала	Расчетная толщина утеплителя, м	Строительная толщина покрытия, м	Величина нагрузки, кН/м2
	Второй уровень теплозащиты	Третий уровень теплозащиты	Второй уровень теплозащиты	Третий уровень теплозащиты	Второй уровень теплозащиты	Третий уровень теплозащиты
Пенобетон	0,4	0,75	0,6443	0,9943	827,58	1037,58
Минеральная вата рулонная	0,13	0,18	0,3743	0,4243	594,08	596,58
Rockwool “ЛАЙТ БАТТС К”	0,11	0,15	0,3543	0,3943	590,10	592,23

Анализ полученных результатов позволяет сделать выводы, что наиболее экономически выгодным теплоизоляционным материалом для покрытия являются маты минераловатные на основе базальтового волокна. С точки зрения величины нагрузки на плиту покрытия, этот утеплитель практически соответствует утеплителю с наилучшими показателями - Rockwool “ЛАЙТ БАТТС К” , уступая ему менее чем на 1% .

Учитывая, что Rockwool “ЛАЙТ БАТТС К” завозится из за границы, а минераловатные маты выпускаются в Республике Узбекистан, предпочтение следует отдавать именно последним.

3.3 Рекомендации по проектированию тепловой защиты совмещенных покрытий гражданских зданий в условиях сухого жаркого климата

В районах с сухим жарким климатом для гражданских зданий целесообразно устройства совмещенных интенсивно вентилируемых покрытий.

Для создание повышенной естественной вентиляции подкровельного пространства рациональным является устройство над несущей частью покрытия кровли - «бабочки» - легкой металлической конструкции с кровельным ковром из стального листа, обладающего высокой отражательной способностью.

Перед началом проектирования покрытия с кровлей - «бабочкой» необходимо определить господствующее направление ветра для июля месяца.

При свободной площадке строительства здание длинной стороной должно быть ориентировано вдоль направления господствующего ветра, так как в этом случае обеспечивается наиболее интенсивное проветривание подкровельного пространства в связи с восприятием конструкцией покрытия максимального ветрового давления.

В том случае, если здание будет ориентировано длинной стороной под углом 90⁰ к направлению господствующего ветра, интенсивность проветривания будет снижена в два раза.

Угол наклона крыльев кровли - «бабочки» должен составлять 12⁰ что обеспечивает нормальное вихреобразование в подкровельном пространстве и, следовательно, наиболее быстрый и эффективный отвод тепла с покрытия (рис. 3.5).



Рис. 3.5

Центральная часть кровли - «бабочки» должна быть поднята над конструкцией покрытия на высоту , где l - длина здания (рис. 3.7).

Для предотвращения намокания парапетной части стены здания, габариты кровли - «бабочки» должны быть вынесены за край покрытия на 500мм (рис. 3.7).

Водоотвод должен осуществляться с кровли - «бабочки», исключая попадание воды на покрытие. Наиболее целесообразен наружный водоотвод, позволяющий уменьшить степень засоренности ендовы (рис. 3.8).

Однако и в этом случае необходимо наблюдение эксплуатации кровли - «бабочки» с точки зрения засоренности водоотводящих воронок и труб. В связи с чем целесообразно устройства одного - двух эксплуатационных люков для доступа работников ЖКХ к ендове и водосборным воронкам. Поднятие над поверхностью люка осуществляется по специальным металлическим лестницам, установленным в подкровельном пространстве.

Расчет и конструктивное решение кровли - «бабочки» не являлось задачами данной магистерской диссертации. Вместе с тем, конструктивное решение может быть неоднозначным: от вантовых элементов и жестких нитей со стальной мембраной до структурных конструкций из стальных труб.

В качестве соединительных и крепежных элементов при устройстве кровли - бабочки рекомендуется применять:

винты и шурупы разных диаметров и длин;

односторонние открытые и закрытые заклепки разных диаметров из материалов: Al - Al, Al - Fe, Fe - Монель;

самонарезающие винты разных диаметров и длин;

специальные гвозди типа Хилти.

Крепежные и соединительные элементы не должны ухудшать внешнего вида покрытия. Прикрепление кровли к несущей конструкции должно быть запроектировано таким образом, чтобы неравномерные или чрезмерные осадки опор, а также деформации несущей конструкции не оказывали неблагоприятного влияния на технические и эксплуатационные свойства покрытия.

В качестве утеплителя целе...