Расчетно-экспериментальные исследования энергоэффективных элементов ограждающих конструкций и климатического оборудования зданий

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

Расчетно-экспериментальные исследования энергоэффективных Элементов ограждающих конструкций и климатического оборудования зданий

05.23.03 - теплоснабжение, вентиляция,

кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение

доктора технических наук

Низовцев Михаил Иванович

Тюмень, 2009

Работа выполнена в Институте теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской Академии наук

Научный консультант доктор технических наук, профессор Терехов Виктор Иванович

Официальные оппоненты:доктор технических наук, профессор Бодров Валерий Иосифович

доктор технических наук, профессор Костин Владимир Иванович

доктор технических наук, профессор Цветков Николай Александрович

Ведущая организация: Уральский государственный технический университет

Защита состоится “_12_” “_марта_” 2009 г. в____ час на заседании диссертационного совета Д 212.272.01 в Тюменском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 625001, г. Тюмень, ул. Луначарского, д. 2.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направлять в адрес диссертационного совета Д 212.272.01. В экстренных случаях копию отзыва можно направить по факсу 8-(345-2) 43-39-27, с последующей отправкой по почте.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Тюменского государственного архитектурно-строительного университета.

Автореферат разослан «____» ____________ 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук, доцент Пронозин Я.А.

теплообмен влагоперенос строительный вентилируемый

Общая характеристика работы

Актуальность темы. С каждым годом потребность в энергетических ресурсах увеличивается, а запасы достаточно быстро иссякают, при этом сложность их добычи и соответственно стоимость все возрастают. Поэтому экономия энергоресурсов для большинства стран становится одной из самых актуальных задач.

В России на энергопотребление зданий уходит около 43 % всей вырабатываемой тепловой энергии. Вопросы ресурсо- и энергосбережения в современной России рассматриваются в качестве одного из основных направлений технической политики в строительной отрасли.

В современных зданиях помимо проблемы экономии энергетических ресурсов важными являются и вопросы комфортности. Поэтому, начиная с середины 90 годов прошлого века, под энергоэффективными зданиями начинают рассматривать такие здания, которые наряду с минимальным расходом энергии обеспечивают высокое качество внутреннего микроклимата.

В диссертационной работе понятие энергоэффективного здания рассматривается как комплексный показатель, который обеспечивается энергоэффективностью ограждающих конструкций здания и энергоэффективностью инженерного оборудования, включая системы отопления и вентиляции.

Наиболее сложно в современных зданиях обеспечить энергоэффективность светопрозрачных конструкций. Термические сопротивления оконных конструкций в несколько раз ниже, чем стен зданий, что приводит к повышенным тепловым потерям через окна в зимний период времени и дополнительным затратам на кондиционирование в летний. Помимо этого, в холодный период времени из-за низкой температуры внутреннего остекления существенно понижается комфортность жилых и производственных помещений. Поэтому в работе значительное внимание уделено исследованию новых конструкций оконных заполнений с регулируемыми тепловыми характеристиками.

Стены современные зданий, как правило, многослойные, и их теплозащитные характеристики во многом определяются состоянием достаточно тонких теплоизоляционных слоев. Необходимо разработать методики инструментального определения теплозащитных характеристик современных многослойных стеновых конструкций. В диссертационной работе выполнены расчетные исследования с целью создания основ для разработки точных и оперативных методов проведения таких измерений.

На теплозащитные свойства стеновых конструкций значительное влияние оказывают процессы влагопереноса. В работе получили развитие новые экспериментальные и расчетные методы исследования влагопереноса в пористых строительных материалах и рассмотрено влияние влажности на теплопроводность газобетона при положительных и отрицательных температурах.

Актуальны в настоящее время вопросы, связанные с учетом распределения тепла в многоквартирном жилом доме между отдельными квартиросъемщиками. Предложены системы учета с использованием регистраторов расхода тепла отопительных приборов. Для их внедрения, кроме решения организационных вопросов, необходимо проведение комплексных исследований по адаптации регистраторов к широко распространенным в нашей стране системам отопления. Решению этих вопросов уделено определенное внимание в диссертационной работе.

Проводимые энергетические обследования показывают, что до половины энергетических затрат в современных зданиях расходуется на нагрев зимой и охлаждения летом воздуха, необходимого для вентиляции жилых и производственных помещений. В диссертационной работе приведены результаты расчетно-экспериментального исследования нового класса дисковых воздушных теплообменников для утилизации тепла и холода вентиляционного воздуха.

Целью работы является проведение расчетно-экспериментальных исследований тепло- и влагопереноса в элементах энергосберегающих ограждающих конструкций и инженерного оборудования зданий включающих:

· исследование теплообмена в новых оконных заполнениях с регулируемыми тепловыми характеристиками,

· изучение тепло- и влагопереноса в пористых строительных материалах,

· исследование теплообмена в оборудовании теплоснабжения и энергоэффективной вентиляции.

В соответствии с намеченной целью были поставлены следующие задачи исследования:

1. На основе современной аппаратуры и с использованием новых измерительных методов создать комплекс экспериментальных установок для изучения тепловых характеристик новых оконных конструкций с регулируемыми теплозащитными свойствами.

2. Выполнить экспериментальные исследования влияния режимных и конструктивных параметров на тепловые характеристики оконных заполнений с тепловыделениями в воздушных прослойках, с вентиляцией прослоек воздухом из помещения, с экранами или жалюзи с теплоотражающими покрытиями.

3. Создать методику численного расчета совместного лучисто-конвективного теплообмена для вентилируемых окон и провести ее верификацию на результатах экспериментальных исследований.

4. Провести цикл расчетно-экспериментальных исследований, направленных на разработку основ новых методик инструментального определения теплозащитных характеристик теплоинерционных ограждающих конструкций зданий.

5. Выполнить экспериментальные исследования тепло- и влагопереноса в газобетоне в широком диапазоне изменения граничных условий при различных режимах увлажнения.

6. Методами математического моделирования исследовать совместный тепло- и влагоперенос в пористых строительных материалах и провести верификацию полученных результатов на экспериментальных данных для автоклавного газобетона.

7. Выполнить экспериментальные исследования влияния различных физических факторов на радиаторные коэффициенты регистраторов расхода тепла отопительных приборов.

8. Провести теоретические расчеты и создать опытные образцы новых дисковых вентиляторов- регенераторов тепла вентиляционного воздуха.

9. Выполнить серию экспериментальных исследований одноступенчатых и двухступенчатых дисковых вентиляторов-регенераторов тепла вентиляционного воздуха для определения тепловых и динамических характеристик аппаратов.

Научная новизна:

· Экспериментально установлено влияния тепловыделений в межстекольном пространстве на тепловые характеристики тройного остекления. Проанализирована динамика выхода на стационарный режим и зависимость температуры остекления от мощности тепловыделений.

· Впервые получены зависимости распределения локальных тепловых характеристик окон с тройным остеклением принудительно вентилируемых воздухом из помещения от толщины вентилируемой прослойки, скорости и расхода вентилирующего воздуха. Экспериментально определены тепловые характеристики окон при естественной вентиляции внутренней межстекольной прослойки.

· Предложена и реализована методика расчета лучисто-конвективного теплообмена для вентилируемого окна с тройным остеклением, основанная на решении уравнений Новье-Стокса в двумерной постановке.

· На экспериментальных стендах и в натурных условиях исследованы экраны и жалюзи с теплоотражающими покрытиями. Показана их высокая эффективность в управлении теплозащитными характеристиками окон.

· Экспериментальные исследования теплопроводности автоклавного газобетона с различной влажностью позволили установить зависимости коэффициентов теплопроводности для газобетона максимальной сорбционной влажности и предельного влагонасыщения при положительных и отрицательных температурах.

· Разработана новая методика экспериментального определения влажностных характеристик строительных материалов с использованием “гамма-просвечивания”. Получена зависимость коэффициента диффузии влаги в автоклавном газобетоне от влажности при различных режимах увлажнения.

· На основе результатов экспериментальных исследований апробирован нестационарный метод расчета тепло-влажностного состояния пористых строительных материалов, учитывающий перенос парообразной и жидкой влаги.

· На основании изучения влияния физических факторов на работу регистраторов расхода тепла отопительных приборов показано, что радиаторные коэффициенты зависят, как от средней температуры поверхности радиатора, так и от температуры окружающего воздуха. Предложено введение температурного коэффициента, снижающего влияние температуры окружающего воздуха на радиаторный коэффициент.

· Предложены и испытаны конструкции нового класса воздушных теплообменников на основе системы вращающихся дисков для регенерации тепла вентиляционного воздуха. Впервые экспериментально определены их динамические параметры и тепловая эффективность.

Теоретическая значимость работы заключается:

· в постановке и численном решении задачи свободноконвективного движения и теплообмена воздуха в двух смежных вертикальных полостях при поперечном градиенте температуры;

· в установлении общих закономерностей изменения тепловых параметров в теплоинерционных ограждающих конструкциях зданий при нестационарных тепловых граничных условиях;

· в верификации на экспериментальных данных расчетной модели нестационарного тепло- и влагопереноса в пористых материалах.

Практическая ценность работы заключается:

· в новых экспериментальных данных по влиянию эффективности тепловыделений в межстекольных прослойках на тепловые характеристики окон с тройным остеклением;

· в возможности использования полученных экспериментальных результатов и разработанной методики расчета тепловых характеристик при проектировании и внедрении в строительную практику вентилируемых окон;

· в получении результатов лабораторных и натурных испытаний межрамных экранов и жалюзи с теплоотражающими покрытиями, которые показали их высокую эффективность в снижении тепловых потерь через окна, и по результатам которых они рекомендованы к широкому практическому применению;

· в обнаружении в результате расчетов изменения тепловых параметров в теплоинерционных стеновых конструкциях при нестационарных граничных условиях зон с наиболее быстрой релаксацией тепловых параметров к равновесному значению, проведение измерений в этих зонах может стать основой создания новых более точных и оперативных методик инструментального определения теплозащитных характеристик стен современных зданий;

· в проведении экспериментального исследования зависимости теплопроводности автоклавного газобетона от влажности, которое показало, что особенно значительное повышение теплопроводности происходит для газобетона сверхсорбционного увлажнения при отрицательных температурах, поэтому следует предусматривать меры защиты ограждающих конструкций из газобетона от увлажнения, особенно сверхсорбционного;

· в разработке неразрушающей методики определения влажностных характеристик пористых материалов методом “гамма-просвечивания”, которая может быть применена для широкого круга строительных материалов;

· в получении экспериментальных значений коэффициентов диффузии влаги автоклавных газобетонов различной плотности в широком диапазоне влажностей материалов, они могут быть использованы для проведения тепло-влажностных расчетов строительных конструкций из газобетона;

· в предложении введения температурного коэффициента, снижающего влияние температуры окружающего воздуха на радиаторный коэффициент, а также в определении оптимального положения установки регистратора на радиатор отопления;

· в получении динамических и тепловых характеристик нового класса воздушных теплообменников на основе системы вращающихся дисков для регенерации тепла вентиляционного воздуха.

Достоверность основных положений и выводов подтверждается достаточной обоснованностью принятых допущений и обеспечена:

· определением погрешностей измерений при выполнении экспериментальных исследований и дублированием одних и тех же измерений разными методами;

· использованием при экспериментальных исследованиях современных методов измерения и компьютерной техники;

· тестированием программных модулей и сопоставлением результатов расчетов с данными других авторов;

· сравнением результатов, полученных численными и экспериментальными методами.

На защиту выносятся:

1. Экспериментальные результаты эффективности повышения тепловых характеристик тройного остекления за счет тепловыделений в межстекольном пространстве.

2. Результаты экспериментального исследования зависимостей тепловых характеристик окон с тройным остеклением при вентиляции внутренней межстекольной прослойки воздухом из помещения от толщины прослойки, скорости, расхода вентилирующего воздуха и направления его подачи.

3. Математическая модель и результаты численных расчетов сложного лучисто-конвективного теплообмена вентилируемых окон с тройным остеклением.

4. Результаты экспериментальных исследований и натурных испытаний термических характеристик оконных заполнений с экранами и жалюзи с односторонними и двухсторонними теплоотражающими покрытиями.

5. Экспериментальные результаты исследования температурных зависимостей коэффициента теплопроводности автоклавного газобетона различной влажности при положительных от 0 до 20єС и отрицательных от 0 до -50 єС температурах.

6. Результаты экспериментальных исследований процессов влагопереноса в автоклавном газобетоне при различных тепло-влажностных условиях.

7. Результаты численных расчетов совместного тепло- и влагопереноса в автоклавном газобетоне с применением нестационарной методики расчета.

8. Результаты экспериментальных исследований влияния различных физических факторов на работу регистраторов расхода тепла отопительных приборов.

9. Результаты расчетно-экспериментального исследования нового класса воздушных теплообменников на основе системы вращающихся дисков для регенерации тепла вентиляционного воздуха.

Работа выполнялась при поддержке следующих программ и грантов: Федеральной целевой программы “Интеграция” (Проект № к-1-99 “Мониторинг тепловых потерь и теплопроводности ограждающих конструкций жилых и производственных зданий”, 1999 г.), программы Министерства общего и профессионального образования “Научное, научно-методическое, материально-техническое и информационное обеспечение системы образования” (проект № 2394 “Экспериментальное и численное исследование теплопереноса в светопрозрачных ограждающих конструкциях с целью повышения их теплотехнических характеристик”2000-2001 г.), программы Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники (код проекта № 03.01.034 “Долгосрочное прогнозирование изменения теплозащитных характеристик ограждающих конструкций зданий и сооружений”, 2001-2002 г.), программы Энергосбережения СО РАН (“Фундаментальные исследования и мониторинг теплопотерь в ограждающих конструкциях зданий”, 2002-2003 г.; ”Распределители расхода тепла отопительных приборов”, 2004 г.; “Экспериментальное определение тепловой эффективности дискового вентилятора”, 2006-2008 г.), совместного проекта РФФИ - БРФФИ (проект № 02-02-81005 “Экспериментальное и теоретическое исследование процессов нестационарного тепло- и влагопереноса в пористых средах”, 2002-2004 г.), гранта Президента РФ для ведущих научных школ РФ (грант № 1308.2003.8.), интеграционного проекта СО РАН (№ 26 "Исследование физических механизмов формирования и свойств спектрально-селективных низкоэмиссионных теплоотражающих покрытий на основе оксидов металлов", 2003-2005 г.), программы “Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники”(код проекта № 03.03.079 “Разработка и опытная апробация метода расчета совместного нестационарного тепло- влагопереноса в ограждающих конструкциях зданий”, 2003-2004 г.), совместного проекта РФФИ - БРФФИ (проект 06-08-81003 Бел_а “Сопряженный нестационарный массоперенос пористых тел при вариации граничных условий. Эксперимент и теория", 2006-2007 г.), программы Министерство образования и науки Российской Федерации “Развитие научного потенциала высшей школы” (проект № 236 “Энергосберегающие окна с регулируемыми теплозащитными характеристиками”, 2005-2006 г), гранта РФФИ (ОФИ-06-08-061 “Разработка, экспериментальное определение основных характеристик и создание макетного образца дискового вентилятора-регенератора для утилизации тепла вентиляционного воздуха”, 2006-2007 г.).

Апробация работы в виде докладов и обсуждений основных положений и результатов исследований проходила на следующих семинарах и конференциях: международных конгрессах “Ресурсосберегающие и энергосберегающие технологии реконструкции и нового строительства” (Новосибирск, 1998, 1999, 2000, 2004, 2005 г.), международном семинаре “Энерго-ресурсосбережение в Сибирском регионе” (Новосибирск, 1998 г.), Российских национальных конференциях по теплообмену (Москва, 1998, 2002, 2006 г.), Международных научно-технических семинарах ”Нетрадиционные технологии в строительстве” (Томск, 1999, 2001 г), Минских международных форумах по тепло- и массообмену (Беларусь, Минск, 2000, 2004 г.), Пятой научно-практической конференции “Проблемы строительной теплофизики, систем обеспечения микроклимата и энергосбережения в зданиях” (Москва, 2000 г.), Международной практической конференции “Утеплители и системы утепления ограждающих конструкций зданий” (Новосибирск, 2001 г.), Первой Всероссийской школе-семинаре “Энергосбережение - теория и практика” (Москва, 2002 г.), Сибирских теплофизических семинарах (Новосибирск, 2002, 2004 г.), Международной научно-технической конференции (Томск, 2002 г.), IV Всероссийском совещании “Энергосбережение и энергобезопасность России” (Томск, 2003 г.), Международных научно-практических конференциях “Проблемы коммерческого учета теплоносителей” (Новосибирск, 2004, 2005 г.), Научных школах-конференциях ”Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики” (Украина, Алушта, 2004, 2005 г.), Научно-технических конференциях НГАСУ (Новосибирск, 2005, 2006, 2007, 2008 г.), Национальной конференции по теплоэнергетике (Казань, 2006 г.), Всероссийских научно-практических конференциях. “Приоритетные направления науки и техники, прорывные и критические технологии - энергетические, экологические и технологические проблемы экономики (Барнаул, 2007, 2008 г.), Первой международной конференции «Энергопотребление зданий и окружающая среда (Китай, Далянь, 2008 г.).

Личный вклад автора заключается в постановке задач всего комплекса выполненных исследований, в разработке и проектировании экспериментальных установок, в выборе методов и методик экспериментальных исследований, в научном консультировании при проведении экспериментов, в анализе и обобщении полученных экспериментальных данных, в постановке задач математического моделирования исследуемых процессов тепло- и влагообмена, в проведении численных расчетов, в верификации расчетных методов на экспериментальных результатах, в обобщении расчетных и экспериментальных результатов и подготовке научных статей.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 72 работах, из них 19 работ опубликованы в изданиях рекомендуемых ВАК для публикации материалов докторских диссертаций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, списка основных обозначений, 8 глав, заключения, списка литературы из 201 названия, 3 приложений. Полный текст диссертации содержит 338 страниц, включая 168 рисунков и 20 таблиц.

Содержание работы

Введение. В современных зданиях помимо проблемы экономии энергоресурсов актуальными являются и вопросы обеспечения высокое качество внутреннего микроклимата. В диссертационной работе понятие

энергоэффективного здания рассматривается, как комплексный показатель, который обеспечивается энергоэффективностью светопрозрачных ограждающих конструкций (экспериментально-расчетному исследованию таких конструкций посвящены 1-3 главы), энергоэффективностью наружных стен здания (процессы тепло и влагопереноса в них и в материалах, из которых они состоят, рассматриваются в главах 4-6) и энергоэффективностью инженерного оборудования, включая системы отопления (вопросам совершенствования учета расхода тепла в многоквартирном жилом доме посвящена глава 7) и вентиляции (результаты расчетно-экспериментального исследования нового класса устройств для регенерации тепла вентиляционного воздуха приведены в главе 8).

В первой главе рассмотрены результаты экспериментального исследования эффективности использования тепловыделений в воздушных прослойках на тепловые характеристики окон с тройным остеклением. Повышение температуры внутреннего остекления и оперативное ее регулирование является актуальной задачей для повышения комфортности внутренних помещений зданий и сооружений.

Для экспериментального исследования тепловых характеристик моделей новых светопрозрачных конструкций была спроектирована и изготовлена климатическая камера (рис. 1). В качестве источника холода использовался вихревой охладитель газа (поз. 2). В диссертации приведен ряд результатов тестовых экспериментов, подтвердивших корректность проводимых теплотехнических измерений.

Рис. 1. Климатическая камера:

а - схема, б - фотография.

Рис. 2. Влияние тепловыделений на температуру внутреннего стекла.

В основной серии экспериментов с тепловыделениями в воздушных прослойках в центре внутренней воздушной прослойки по всей ширине окна на высоте 2·10-² м от нижнего края остекления монтировался тонкий цилиндрический омический нагреватель. Модель окна устанавливалась в климатическую камеру, и проводились теплотехнические измерения. Эксперименты показали, что при небольшой мощности тепловыделений 30-100 Вт/м наблюдалось значительное повышение температуры внутреннего остекления и более равномерное ее распределение по поверхности (рис. 2).

Наиболее сильный эффект от тепловыделений имел место в нижней зоне остекления, где у обычных окон область с наиболее низкими температурами. Регулировкой мощности тепловыделений можно изменять температуру в нижней зоне внутреннего остекления (рис. 3). Исследована динамика выхода на стационарный режим. При тепловыделениях 50 Вт/м время выхода на стационарный режим составляло около часа, причем достижения уровня 90 % от равновесной температуры происходило в течение получаса, что свидетельствовало о достаточной оперативности данного метода управления тепловыми характеристиками окна.

Получены экспериментальные результаты, позволившие провести сравнение влияния тепловыделений во внутренней и наружной прослойках на тепловые характеристики окна с тройным остеклением.

Рис. 3. Зависимость температуры нижней зоны внутреннего стекла от мощности тепловыделений.

Специальная серия экспериментальных исследований показала возможность сокращения тепловых потерь и повышения эффективности управления тепловыми характеристиками в окнах с тепловыделениями в воздушных прослойках при использовании на стеклах теплоотражающих покрытий.

Во второй главе выполнен критический обзор экспериментальных и теоретических работ по вентилируемым окнам и сформулированы задачи исследования. Представлены результаты экспериментального исследования тепловых характеристик окон с тройным остеклением, вентилируемых воздухом помещения. Проанализировано распределения температур и тепловых потоков по поверхностям остекления при различных расходах вентилирующего воздуха. Показано, что вентилирование воздушных прослоек приводило к повышению температуры внутреннего остекления и сопротивления теплопередаче окна с ростом расхода вентилирующего воздуха и уменьшением толщины вентилируемой воздушной прослойки (рис. 4). Отмечено определяющее влияние скорости движения воздуха в вентилируемой прослойке на распределение тепловых параметров.

Рис. 4. Зависимость сопротивления теплопередаче тройного остекления от расхода вентилирующего воздуха.

Определено влияние направления движения воздуха в вентилируемом окне на его тепловые характеристики. Обнаружен и экспериментально исследован режим естественной вентиляции окна.

Предложены и реализованы в виде специальных компьютерных программ методики расчета лучисто-конвективного теплообмена обычного и вентилируемого окна с тройным остеклением на основе численного решения системы уравнений для ламинарного двухмерного движения воздуха: уравнение неразрывности, уравнения Навье-Стокса в приближении Буссинеска и уравнение сохранения энергии:

, (1)

, (2)

, (3)

, (4)

граничные условия для невентилируемого окна на наружных и внутренних вертикальных стенках:

u = v = 0,,при x = и ,(5)

u = v = 0,,при x = 0 и ,

на горизонтальных стенках:

u = v = 0,,при y = 0 , H и 0 x (6)

на перегородке:

,при x = ₁ и (7)

Для вентилируемого окна изменялись условия на горизонтальных границах:

u = v = 0,,при y = 0, H и 0 x x₁, x₂ x ,

u = 0,v = v₀,T = T₀,при y = 0 и x₁ x x₂,(8)

,,при y = H и x₁ x x₂,

где: x и y - продольная и поперечная координата, u и v -продольная и поперечная компоненты вектора скорости, ф - время, T и P - температура и давление, с - плотность, с - теплоемкость, л - коэффициент теплопроводности, н - коэффициент кинематической вязкости, в - коэффициент температурного расширения, б - коэффициент теплоотдачи, q_л - плотность лучистого теплового потока, H и д - высота и ширина воздушной полости, g - ускорение свободного падения

В результате численных расчетов выявлена сложная структура свободноконвективного течения в межстекольных прослойках окна без вентилирования, которая определялась градиентом температуры между стенками прослойки и ее геометрическими размерами. Определено влияние толщины воздушных прослоек на распределение тепловых и динамических параметров течения. Выполнены расчеты изменения тепловых и динамических характеристик течения при вентилировании воздушных прослоек (рис. 5). Проведено сопоставление распределения локальных тепловых параметров для вентилируемых окон по результатам расчетов и экспериментов, получено удовлетворительное согласование (рис. 6).

Рис. 5. Линии функций тока во внутренней прослойке вентилируемого окна.

Рис. 6. Зависимость средней температуры внутреннего стекла от расхода вентилирующего воздуха: 1 - ₁ = 12 мм, 2 - 40 мм.

В третьей главе выполнен обзор литературы по теплоотражающим покрытиям на поверхностях стекол и пленок. Определены задачи исследования тепловых характеристик оконных конструкций с экранами и жалюзи с теплоотражающими покрытиями.

Приведены результаты натурных теплотехнических исследований теплозащитной эффективности внутреннего вертикального жалюзи с односторонним теплоотражающим покрытием из алюминия на лавсановой пленке. Такая конструкция жалюзи позволила увеличить теплозащитные характеристики двойного остекления на 21 %.

Описаны результаты цикла экспериментальных лабораторных исследований тепловых характеристик межрамных экранов и жалюзи с различными теплоотражающими покрытиями на модели окна с тройным остеклением. Итоговые результаты исследований приведены на рис. 7 в виде относительного сопротивления теплопередаче R/R₀, где R - сопротивление теплопередаче остекления с экраном или жалюзи, а R₀ - без экрана или жалюзи. Максимальный эффект роста теплозащитных характеристик окна получен при использовании экрана с двухсторонним покрытием, R/R₀ = 1.8. Применение межрамных горизонтальных жалюзи с двухсторонним теплоотражающим покрытием дало увеличение теплозащитных характеристик тройного остекления в 1.3 раза. На основании выполненных лабораторных исследований экранов и жалюзи с покрытиями на модели окна с тройным остеклением был проведен расчет их использования при двойном остеклении (верхний график на рис. 7).

Рис. 7. Относительное сопротивление теплопередаче остекления при использовании экранов и жалюзи с теплоотражающими покрытиями.



Рис. 8. Динамика изменения температуры на внутреннем стекле при опускании экрана и закрытии жалюзи.

Рис. 9. Сопротивление теплопередаче двойного остекления при установке межрамных экранов и жалюзи.

Выполнен цикл натурных измерений тепловых характеристик при использовании межрамных экранов и жалюзи с теплоотражающими покрытиями на окне с двойным остеклением. Изучена динамика изменения тепловых параметров двухслойного остекления при применении межрамных экранов и жалюзи (рис. 8), показана возможность достаточно оперативно управлять тепловыми характеристиками окон. Натурные испытания межрамных экранов и жалюзи подтвердили их высокую эффективность в снижении тепловых потерь (рис. 9), и они рекомендуются к широкому практическому применению.

Были проведены натурные теплотехнические испытания внутренних оконных экранов с теплоотражающими покрытиями, которые показали, что для снижения тепловых потерь они могут быть не менее эффективны, чем межрамные экраны. Однако при их использовании происходит дополнительное охлаждение внутреннего стекла, что может приводить к конденсации влаги на его поверхности. Поэтому внутренние экраны с теплоотражающими покрытиями рекомендуется применять в помещениях с пониженной влажностью воздуха.

В четвертой главе рассмотрены проблемы инструментального определения теплозащитных характеристик стен современных зданий. Проанализированы существующие методики. Для создания основ новых более точных и оперативных методик определения теплозащитных характеристик стеновых конструкций были проведены компьютерные расчеты изменения тепловых параметров в теплоинерционных однослойных и двухслойных стенах.

В случае резкого изменения температуры наружного воздуха в общем критериальном виде было решено нестационарное уравнение теплопроводности для однослойной стены толщиной d:

, (9)

где ;Fo = a /d²; = x/d;

соответствующие краевые условия:

Fo = 0, (10)

= 0, (11)

= 1, ,(12)

Рис. 10. Изменение относительной плотности теплового потока в однослойной стене при резком похолодании.

Рис. 11. Относительные среднесуточные значения сопротивления теплопередаче.

где,,Bi₁ = б₁d/л,Bi₂ = б₂d/л .

Рассмотрен случай резкого понижения температуры наружного воздуха от -20 єС до -40 єС при температуре воздуха внутри помещения +20 єС и Bi₁ = Bi₂ = 10. Значение изменения относительной плотности теплового потока q/q*, где q* - плотность теплового потока после установления равновесного состояния, приведено на рис. 10. Следует отметить, что в центре однородной конструкции тепловой поток наиболее быстро, уже при Fo = 0.1, достигал равновесного значения и после этого практически не менялся.

Результаты расчетов в общем критериальном виде были верифицированы на результатах расчетов различных однослойных стеновых конструкциях и при разных уровнях понижения и повышения наружной температуры, и все они подтвердили вывод о наиболее быстрой релаксации теплового потока к равновесному значению в центральной зоне таких конструкций.

Проведены расчеты и проанализированы их результаты изменения тепловых параметров в однослойных стенах при циклических суточных колебаниях температуры наружного и внутреннего воздуха. Показано, что при наличии суточных колебаний температуры воздуха для повышения точности определения теплозащитных характеристик ограждающих конструкций целесообразно проводить суточное осреднение измеряемых величин. На рис. 11 показано изменение относительного сопротивления теплопередаче R/R₀, где R определено по среднесуточным значениям теплового потока в данном сечении кирпичной стены толщиной 0.64 м, а R₀ -действительное сопротивление теплопередаче данной стены. Из результатов следует, что в среднем сечении стены уже спустя 1.5 суток с начала колебаний наружной температуры по измерениям осредненного теплового потока можно получить достаточно точное значение сопротивления теплопередаче стены.

Для двухслойных стен выполнены расчеты, позволившие определить направление и величину смещения положения зоны с наиболее быстрой релаксацией теплового потока к равновесному состоянию в случае резкого изменения температуры наружного воздуха по сравнению с однослойными стенами (рис. 12, здесь x отсчитывался от наружной границы кирпичного слоя толщиной d). Показано, что для двухслойных стен зона с наиболее быстрой релаксацией теплового потока к равновесному значению смещается от центра конструкционного слоя в сторону расположения утеплителя,

Рис. 12. Относительная координата зоны наиболее быстрой стабилизации теплового потока для кирпичных стен при утеплении слоем пенополистирола 120 мм.

причем это смещение тем существеннее, чем толще слой теплоизоляционного материала.

Приведены результаты натурных наблюдений изменения тепловых параметров в различных сечениях однослойной стены из газобетона в реальных условиях эксплуатации. Получено хорошее согласование выводов, сделанных по результатам расчетов с данными натурных наблюдений.

В пятой главе проведен критический анализ существующих стационарных и нестационарных методов экспериментального определения коэффициентов теплопроводности материалов. Для исследования зависимости теплопроводности автоклавного газобетона от влажности при положительных и отрицательных температурах был использован метод “горячей проволоки”. Метод основан на измерении временной зависимости температуры тонкой проволоки, помещенной между двумя гладкими пластинами исследуемого образца материала. Проволока, начиная с некоторого времени нагревается электрическим током постоянной мощности. Для определения коэффициента теплопроводности использовалась зависимость изменения температуры цилиндрического тела, нагреваемого в неограниченной среде:

(13)

где ф - время; r - радиус проволоки; Т₀ - начальная температура проволоки; Т(r, ф) - температура проволоки в любой момент времени; q - мощность нагрева на единицу длины; л - коэффициент теплопроводности; a - коэффициент температуропроводности; h = 2?Rл; R - контактное термосопротивление между проволокой и образцом на единицу длины, С = exp(?) = 1.7811 (?= 0.5772 - постоянная Эйлера); ?₁ = с₀/с_п - отношение теплоемкостей образца и проволоки.

Так как изменение температуры проволоки и образца при измерениях не превышают 1-5 °С, то из (13) можно получить:

(14)

Измеряя температуру проволоки в моменты времени ₁ и ₂, определялся коэффициент теплопроводности образца.



Рис. 13. Схема экспериментального стенда: ИП - источник питания; Т - термопара; П - проволока - зонд, А и V - амперметр и вольтметр; О - образец; У+АЦП - усилитель и аналогово-цифровой преобразователь; К - компьютер, Х - холодильник; ТБ - термобатарея; КСП-4 - регулятор температуры.

Для проведения измерений был создан экспериментальный стенд (рис. 13), который состоял из холодильной камеры и модуля для определения теплопроводности материалов методом “горячей проволоки”. В результате экспериментальных исследований получены зависимости коэффициентов теплопроводности для автоклавного газобетона плотностью с = 400, 600 и 700 кг/м³ при различной объемной сорбционной влажности: сухого газобетона, газобетона с нормальной эксплуатационной влажностью для

Рис. 14. Зависимость л газобетона сорбционной влажности плотностью 700 кг/м ³ от температуры, 1 - w_V = 0 %; 2 - w_Vн; 3 - w_Vc.

Рис. 15. Зависимость л газобетона высокой влажности плотностью 700 кг/м³, от температуры, 1 - W_Vс, 2 - W_Vм.

условий г. Новосибирска w_Vн = 2-3 % и газобетона с максимальной сорбционной влажностью w_Vс = 9-11 % (рис. 14). Из результатов экспериментов следовало, что при увлажнении сухого газобетона до эксплуатационной влажности коэффициент теплопроводности увеличивался на 10 %, а до максимальной сорбционной влажности на 70 %.

В ряде регионов России автоклавный газобетон применяется без защитного слоя и может подвергаться сверхсорбционному увлажнению. Получены результаты зависимости коэффициентов теплопроводности газобетонов различной плотности с предельным влагонасыщением. При увлажнении газобетона от максимального сорбционной влажности w_Vс до предельного влагонасыщения w_Vм (для газобетона с = 700 кг/м³ w_Vм = 32 %) в интервале температур от 0 до 20 °С коэффициент теплопроводности увеличивался примерно в 1.8 раза (рис. 15). Для газобетонов предельного влагонасыщения при понижении температуры от 0 до -3 °С наблюдалось резкий рост л на 25 %, дальнейшее понижение температуры до -50 °С приводило к повышению коэффициента теплопроводности еще на 20 %. Для газобетона максимальной сорбционной влажности коэффициент теплопроводности в интервале температур от 0 до -50 °С практически не изменялся.

В шестой главе выполнен обзор экспериментальных и расчетных методов исследования процессов влагопереноса в пористых материалах. Сформулированы задачи исследования перемещения и накопления влаги в автоклавном газобетоне. Различными физическими методами определена пористая структура, изотерма сорбции и паропроницаемость газобетона. Из результатов измерений получено, что в дифференциальном распределении пор по размерам для газобетона независимо от плотности присутствовало два максимума (рис. 16), то есть, газобетон относится к материалам с двумодальным распределением пор. Анализ полученных данных показал, что пористость у газобетона представлена, в основном, крупными порами газообразования (10-⁴м) и мелкими капиллярными порами (10-⁷м).

Описан, использованный для экспериментального исследования процессов влагопереноса метод “гамма-просвечивания” образцов, основанный на законе Бугера:

(15)

где I_w, I_s - интенсивность гамма-излучения после прохождения через влажный и через сухой материал; _s - плотность материала в сухом состоянии; _w - массовый коэффициент ослабления гамма-излучения для воды (_w = 0.00862 м²/кг); W_m - относительная массовая влажность материала; d - толщина материала, через который проходит гамма-излучение.



Рис. 16. Дифференциальное распределение пор по радиусам.

Приведена конструкция экспериментального стенда для исследования влагопереноса в материалах методом “гамма-просвечивания” в режимах капиллярной пропитки и сорбционного увлажнения. Разработана методика определения коэффициентов диффузии влаги с использованием решения уравнения диффузии влаги методом Больцмана-Матано. Получены зависимости коэффициентов диффузии влаги от влажности для автоклавного газобетона (рис. 17). Приведены результаты экспериментальных исследований влагопереноса в газобетоне при сорбционном влагонасыщении в неизотермических условиях.

Полученные экспериментальные данные по увлажнению газобетона были использованы для верификации расчетной модели нестационарного тепло- и влагопереноса. Численно решалась система уравнений:

(16)

,(17)

где H - энтальпия увлажненного материала, ф - время, л - коэффициент теплопроводности влажного материала, T - температура, - относительная влажность, h - теплота фазового перехода жидкость - пар, - коэффициент

Рис. 17. Зависимость коэффициента диффузии влаги от влажности для газобетонов различной плотности.

Рис. 18. Сопоставление результатов расчетов и экспериментов для сорбционного увлажнения газобетона при 20 С, пунктир - расчет с изотермой сорбции [H.M. Kunzel].

паропроницаемости материала, p_нас - давление насыщения пара при данной температуре, W - объемная влажность, D_ц -коэффициент диффузии жидкой влаги.

Результаты численных решений хорошо согласовались с экспериментальными данными при капиллярной пропитке и сорбционном увлажнении газобетона (рис. 18). С использованием данной модели выполнены расчеты накопления влаги в слое газобетона в неизотермических условиях при различных вариантах пароизоляции.

В седьмой главе приведены результаты экспериментальных исследований влияния основных физических факторов на работу регистраторов расхода тепла отопительных приборов. Электронное устройство регистратора фиксировало разность температуры поверхности отопительного прибора и окружающего воздуха и интегрировало ее по времени. Показания регистратора были пропорциональны количеству тепла, отданного отопительным прибором.

Дано описание стенда, на котором проведены эксперименты (рис. 19), основными элементами стенда являлись: отопительный прибор 1, циркуляционный термостат 2, два электронных регистратора ”Doprimo” 5, 6.

Рис. 19. Схема экспериментального стенда: 1 - отопительный прибор, 2 - циркуляционный термостат, 3 - шаровой кран, 4 - теплосчетчик, 5, 6 - регистраторы.



Рис. 20. Значения радиаторных коэффициентов с учетом температурного коэффициента; 1, 3 - при температуре t_в = 20 С; 2, 4 - при t_в = 25 С.

Приведены результаты измерений тепловых полей поверхности радиатора при различных расходах и направлениях подачи теплоносителя с применением контактных датчиков и тепловизионной техники. По результатам тепловых измерений определены радиаторные коэффициенты радиаторов отопления, которые позволяют рассчитать количество тепла, полученное от радиатора: , где Q - количество тепла, S - площадь поверхности радиатора, - показания регистратора, k - радиаторный коэффициент, а k_н - номинальный условный коэффициент теплопередачи отопительного прибора.

Экспериментально получены зависимости радиаторных коэффициентов от средней температуры поверхности радиатора и температуры окружающего воздуха (рис. 20). Для уменьшения зависимости радиаторного коэффициента от температуры окружающего воздуха предложено использовать температурный коэффициент a = (t_ср - 20 єС)/(t_ср - t_в), где t_в - температура воздуха в помещении, а t_ср - средняя температура поверхности радиатора.

Анализ результатов комплекса W/(t - t_в), пропорционального радиаторному коэффициенту, где W - мощность радиатора, а t - локальная температура поверхности, показал, что перенос регистратора в область среднего сечения по высоте чугунного радиатора приводит к снижению зависимости радиаторного коэффициента от средней температуры поверхности радиатора (рис. 21).

Рис. 21. Зависимость радиаторного коэффициента от средней температуры поверхности радиатора при различных положениях установки.

В восьмой главе проведен анализ наиболее эффективных конструкций воздушных рекуперативных и регенеративных теплообменников. Предложен новый класс регенеративных воздушных теплообменников на основе системы плоских вращающихся дисков. Получены зависимости предельной эффективности таких аппаратов от количества ступеней и скорости вращения дисков в турбулентном и ламинарном режиме течения воздушных потоков. На основе численного решения нестационарного уравнения теплопроводности определено влияние материала дисков и их толщины на тепловую эффективность аппарата.

Приведены результаты экспериментальных исследований тепловых и динамических параметров одноступенчатого дискового вентилятора-регенератора тепла вентиляционного воздуха, состоявшего из 16 алюминиевых дисков диаметром 0.2 м, вращающихся со скоростью до 4500 об/мин. Вращение ротора создавало два противоположно направленных воздушных потока. При различных температурах воздушных потоков вращающиеся диски переносили тепло из одного потока в другой. По результатам экспериментальных испытаний аппарата в зимних условиях определена безразмерная тепловая эффективность И одноступенчатого

Рис. 22. Тепловая эффективность одноступенчатого вентилятора-регенератора.

Рис. 23. Общий вид двухступенчатого однороторного дискового вентилятора-регенератора.

дискового вентилятора-регенератора при различных расходах воздуха (рис. 22). Безразмерная тепловая эффективность по каждому каналу определялась отношением изменения температуры в канале к перепаду температуры на улице и в помещении. Средняя тепловая эффективность одноступенчатого дискового вентилятора-регенератора составила около 25 %, что удовлетворительно согласовалось с расчетом для турбулентного режима течения.

С целью дальнейшего повышения тепловой эффективности был спроектирован, изготовлен и испытан двухступенчатый однороторный дисковый вентилятор-регенератор тепла вентиляционного воздуха (рис. 23). Исследованы динамические параметры аппарата и получена его расходная характеристика. Определена средняя тепловая эффективность двухступенчатого аппарата (рис. 24), по результатам экспериментов она составляла 45-46 % и практически не менялась в диапазоне скоростей вращения ротора 1500-3400 об/мин.

Рис. 24. Тепловая эффективность двухступенчатого вентилятора-регенератора.

В приложениях приведены документы, подтверждающие практическое использование полученных в работе результатов. Представлены результаты экономического прогноза эффективности организации производства дисковых вентиляторов-регенераторов тепла вентиляционного воздуха. Выполнен анализ погрешностей определения тепловых параметров светопрозрачных конструкций при проведении теплотехнических измерений в климатической камере.

Основные результаты работы

1. Выполнено экспериментальное исследование электрообогреваемых окон. Экспериментально установлено, что для тройного остекления при тепловыделениях на единицу длины нижнего края остекления 50-100 Вт/м, в нижней части внутреннего межстекольного воздушного промежутка наблюдалось значительное повышение температуры остекления со стороны помещения. Среднее время выхода температуры остекления на стационарный режим составляло около одного часа, причем достижение уровня в 90 % от этой температуры происходило за первые полчаса.

2. Выполнено экспериментальное исследование окон с тройным остеклением вентилируемых воздухом из помещения. Установлено, что распределение температур и тепловых потоков по поверхности остекления в диапазоне расходов вентилирующего воздуха от 9 до 56 м³/ч·м и толщины внутренней вентилируемой прослойки от 12 до 40 мм определялось средней скоростью вентилирующего воздуха. Увеличение скорости воздуха приводило к повышению температуры внутреннего стекла и сопротивления теплопередаче окна.

Результаты экспериментов показали, что направление движения вентилирующего воздуха практически не оказывает влияние на средние тепловые характеристики вентилируемого окна. Однако при нижней подаче воздуха наблюдалось более равномерное распределение температуры по поверхности остекления, чем при верхней.

Экспериментально установлено, что эффективно вентилирование внутренней межстекольной прослойки окна с тройным остеклением воздухом из помещения можно осуществить естественным вентилированием. При этом организовать естественное вентилирование конструктивно значительно проще, чем принудительное.

3. Предложена и реализована в виде специальной компьютерной программы методика расчета лучисто-конвективного теплообмена вентилируемого окна с тройным остеклением. В результате расчетов выявлено наличие сложной структуры течения в межстекольных прослойках без вентилирования, а также влияние интенсивности вентилирования межстекольной прослойки на перестройку течения, изменения динамических и тепловых параметров. Получено хорошее согласование расчетных локальных параметров с результатами экспериментов.

...