Строительство и архитектура/3. Современные технологии строительства, реконструкции и реставрации

 

к.т.н., доцент Байболов К.С., к.т.н., доцент Абшенов Х.А., Исатаева Д.Т.

Южно-Казахстанский государственнй университет им. М. Ауэзова, Казахстан

 

Оценка задержки амплитуды колебаний температуры на внутренней поверхности ограждающей конструкции

 

Процессы поглощения и выделения тепла ограждающими  конструкциями связаны с колебаниями температуры на их внутренней поверхности и воздуха помещения [1-3]. При этом, чем меньше величина амплитуды колебаний температуры, тем больше способность ограждений поглощать тепло и тем выше теплоустойчивость ограждающих конструкций и помещения в целом. Данное свойство ограждений можно регулировать в широких пределах, используя материалы слоев в ограждении с различными значениями плотности, коэффициент теплопроводности и теплоусвоения материала и внутренней поверхности ограждения.

Важной теплофизической характеристикой ограждающей конструкции здания кроме теплоустойчивости, которая характеризуется амплитудой колебаний температуры на внутренней поверхности ограждения, является период запаздывания температурных колебаний на внутренней поверхности ограждающей конструкций по сравнению с колебаниями наружной температуры [4].    

Задача в исследованиях поставлена следующим образом. На основе широко используемых конструктивных решений наружных ограждений провести сравнительные теплотехнические расчеты и анализ всех выбранных конструкции по времени запаздывания амплитуды колебаний температуры на внутренней поверхности ограждения. Оценить теплофизическую целесообразность применения различных ограждающих конструкций в условиях жаркого климата юга Казахстана.

         Время запаздывания температурных колебаний на внутренней поверхности ограждающей конструкций по сравнению с колебаниями наружной расчетной температуры   определяется по формуле:

 

,                   (1)

 

где  - суммарная тепловая инерция многослойной ограждающей конструкций; - коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждения, Вт/(м2·0С); - коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждения, Вт/(м2·0С); , -- коэффициент теплоусвоения внутреннего и наружного слоев ограждающей конструкции, определяемые по формулам (22) и (23) [5].

         Отметим, что в расчетах значения   принимаются в градусах, а не в радианах.

Если известно время максимального теплопоступления на наружную поверхность стены  и время  запаздывания температурных колебаний на внутренней поверхности ограждающей конструкций по сравнению с колебаниями наружной расчетной температуры  можно рассчитать время максимального теплопоступления в помещение  по нижеследующей формуле:

                                                 (2)

Основываясь на опыте проектирования ограждающих конструкций общественных и жилых зданий в г.Шымкенте для проведения сравнительного расчетного эксперимента были выбраны широко используемые варианты конструктивных схем ограждающих конструкций с использованием эффективной теплоизоляции. В соответствии с рисунком 1 для сравнения были выбраны конструктивные решения традиционной стены из керамического кирпича (вариант 1), не вентилируемой фасадной системы с утеплителем из базальтовой плиты (вариант 2), конструкций ограждения из стандартного керамического кирпича с утеплением из пенополистирола (вариант 3) и  ограждения из пеноблока (вариант 4).

 

             IV

I-традиционная стена из керамического кирпича;  II- не вентилируемой фасадной системы с утеплителем из базальтовой плиты; III- конструкций ограждения из стандартного керамического кирпича с утеплением из пенополистирола;  IV- ограждения из пеноблока; 1-цементно-песчаная штукатурка; 2-керамический кирпич; 3- базальтовая плита; 4-декоративная штукатурка; 5- керамогранит; 6- утеплитель пенополистирол; 7-пеноблоки

Рисунок 1- Исследуемые схемы ограждающей конструкции зданий

 

На основе выше приведенных расчетных формул и согласно задачам исследования были проведены расчеты времени запаздывания температурных колебаний на внутренней поверхности , выбранных  конструктивных схем ограждения. Результаты расчета сведены в таблицу 1. 

Расчеты показали, что из рассматриваемых конструктивных схем требуемое запаздывание  амплитуды колебаний температуры на внутренней поверхности ограждения обеспечивает варианты 1 и 4. Данные конструктивные схемы обеспечивают максимальное теплопоступление через ограждение в предутреннее  время, когда температура наружного воздуха достигает ночного минимума.

Таблица 1- Результаты расчета времени запаздывания температурных колебаний на внутренней поверхности ограждения по сравнению с колебаниями наружной расчетной температуры

Расчетные параметры

№ конструктивной схемы

1

2

3

4

 суммарная тепловая инерция ограждения

5,681

6,317  (4,988)

3,997

6,26

 коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждения , Вт/(м2·0С)

8,7

8,7

8,7

8,7

коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждения по летним условиям , Вт/(м2·0С)

23,77

23,77

23,77

23,77

коэффициент теплоусвоения наружного слоя ограждения , Вт/м2 0С

8,546

0,886

0,957

5,483

коэффициент теплоусвоения внутреннего слоя ограждения , Вт/м2 0С

8,978

8,978

8,978

8,978

Время запаздывания температурных колебаний на внутренней поверхности ограждения по сравнению с колебаниями наружной расчетной температуры  , час  

15,16

10,45

(8,86)

9,48

16,56

время максимального теплопоступления в помещение , час

в 03-04 часа ночи

в 01-02 часа ночи

в 00-01 часа ночи

04-05 часа утра

Примечание: 1)В расчете принято, что максимум температуры на внешней поверхности ограждения достигается в 14-15 часов дня.

2) В скобках представлены значения для конструктивного решения с толщиной утеплителя в 50мм.   

 

Проанализируем формулу (1) расчета времени запаздывания температурных колебаний на внутренней поверхности ограждающей конструкций по сравнению с колебаниями наружной расчетной температуры.

Характер формулы (1) показывает, что чем больше значение коэффициента , тем меньше значение первого отрицательного арктангенса, а это значит тем больше время запаздывания температурных колебаний на внутренней поверхности ограждающей конструкций по сравнению с колебаниями наружной расчетной температуры. В свою очередь, значение коэффициента  зависит от коэффициентов теплоусвоения материала первого и второго внутренних слоев. Чем они больше, тем больше коэффициент теплоусвоения внутреннего слоя, следовательно, чем массивнее будут внутренние слои ограждения, тем больше время запаздывания температурных колебаний на внутренней поверхности. И наоборот, чем меньше инерционность первых двух внутренних слоев ограждения, тем меньше время запаздывания амплитуды температуры.

Вместе с тем, чем больше величина коэффициента теплоусвоения наружного слоя ограждающей конструкции , тем больше значение второго арктангенса в формуле (1). Однако отметим, что величина второго арктангенса сравнительно мала по сравнению с отрицательным арктангенсом.

Анализ формулы (1) расчета времени запаздывания температурных колебаний показывает, что  значительное влияние оказывает суммарное значение тепловой инерции многослойной ограждающей конструкций, т.е. массивность ограждающей конструкций. Поэтому в конструктивных схемах ограждения вариантов 1 и 4, где наблюдалось значительное время запаздывания амплитуды температуры на внутренней поверхности ограждения, суммарная характеристика тепловой инерции  наиболее максимальная.

Если учесть, что максимальная температура на наружной поверхности ограждения наступит примерно к 15 часам, а оптимальное время запаздывания амплитуды колебаний будем считать  равно 12 часам, решая уравнение (2)  можно определить, что  массивность или тепловая инерционность конструкции ограждения должна быть равна =4,59.

По результатам расчета времени запаздывания температурных колебаний на внутренней поверхности ограждающей конструкций по сравнению с колебаниями наружной расчетной температуры можно сделать следующие выводы:

- увеличение коэффициента поглощения тепла от солнечной радиации материалом наружной поверхности ограждения, увеличивает значение амплитуды колебаний температуры на внутренней поверхности ограждения;

- использование материалов с большим коэффициентом теплоусвоения снижает амплитуду колебаний температуры на внутренней поверхности ограждения;

  - время запаздывания температурных колебаний на внутренней поверхности ограждающей конструкций по сравнению с колебаниями наружной расчетной температуры в существенной мере зависит от массивности первых двух внутренних слоев ограждения и суммарной тепловой инерции материалов ограждения.

 

Литература

1.Гагарин В.Г. Теплофизические проблемы современных стеновых ограждающих конструкций многоэтажных зданий // Academia. Архитектура и строительство. 2009. №5. С.297-305 

2.Малявина Е. Г. Строительная теплофизика и проблемы утепления современных зданий // АВОК. 2009. № 1.

3.Немова Д. В. Анализ целесообразности увеличения толщины теплоизолирующего слоя в системах навесных вентилируемых фасадов (НВФ) в целях повышения энергоэффективности // Вестник Московского государственного строительного университета. 2011. № 7, с. 98-103

4.Утепление существующих ограждающих конструкций  [Электронный ресурс]/ А. Матвиевский, Н. Умнякова – Режим доступа: http:// www.maxmir.com/ publish/p_tech1.html, с. 25-30

5. СНиП РК 2.04-03-2002. Строительная теплотехника. –Астана, 2002г.-54с