Взаимосвязанный тепломассоперенос в многослойных ограждающих конструкциях зданий и сооружений при эксплуатации и технологии их производства

Практически любой человек, исходя из собственного опыта, не задумываясь, ответит на два следующих вопроса. Где легче переносится человеком температура -20°С — в Сибири или Санкт-Петербурге? В какой бане легче переносится человеком температура в +100°С — в русской или в сауне? Ответы очевидны. Именно температурно-влажностный режим определяет комфортные и дискомфортные условия для жизнедеятельности человека и растений, а также успешной эксплуатации строительных конструкций. Влажностное состояние конструкции обусловливает ее теплофизические свойства, а также влияет на долговечность ограждения.

В осенний, зимний и весенний периоды происходит увлажнение ограждения за счет атмосферных осадков и диффузии пара изнутри помещения в толщу конструкции. Сезонные и суточные колебания температуры обусловливают нестационарное распределение влаги и температуры в теле ограждения. Кроме того, аварии водоводов и теплосетей, отсутствие надлежащего водоотвода с кровли приводит к замачиванию конструкций.

Существует несколько причин появления влаги в ограждениях:

— строительная влага, то есть та влага, которая вносится в ограждение при возведении здания;

— грунтовая влага, то есть та влага, которая может проникнуть в ограждение из грунта вследствие капиллярного всасывания;

— атмосферная влага, которая может проникать в ограждения при косом дожде или вследствие неисправности крыши;

— эксплуатационная влага, то есть влага, выделение которой связано с эксплуатацией здания, выделяющаяся при производственном процессе;

— гигроскопическая влага, то есть влага, находящаяся в ограждении вследствие гигроскопичности его материалов;

— конденсация влаги из воздуха.

Известно, что с повышением влажности строительных материалов повышается и их теплопроводность, то есть при прочих равных условиях влажные ограждения будут иметь пониженные теплозащитные качества сравнительно с такими же, но сухими ограждениями. Следовательно, при проектировании наружных ограждений необходимо принимать меры для предотвращения возможного увлажнения материалов ограждающей конструкции, применять материалы с минимальной влажностью, а также учитывать не только теплотехнический, но и их влажностный режим.

Влажный строительный материал неприемлем и с гигиенической точки зрения, так как является благоприятной средой для развития в нем грибов, плесеней и прочих биологических процессов. Развитие этих процессов в частях ограждения, расположенных в непосредственной близости от его внутренней поверхности, делает состояние ограждаемого помещения антисанитарным. Плесневые грибки, образующиеся на сырых поверхностях наружных ограждений, быстро распространяются на предметы и пищевые продукты, что может привести к их порче. Повышенная влажность ограждения может создать повышенную влажность воздуха в жилом помещении, которая, в свою очередь, может быть причиной различных заболеваний.

Влажностный режим ограждения имеет также и большое техническое значение, так как он обуславливает долговечность ограждения. Чем больше влажность материала, тем менее он будет морозостойким, так глиняный обо-женный кирпич, который долговечен в стенах с нормальной влажностью, разрушается в сравнительно короткое время в наружных частях мокрых стен, подверженных попеременному замерзанию и оттаиванию. Применение в наружных ограждениях недостаточно влагостойких материалов (например, гипса) может быть также причиной их преждевременного износа, поэтому для влажных и мокрых помещений использование материалов ограничивается степенью их влагостойкости.

В подавляющем большинстве случаев конденсация влаги является единственной причиной повышения влажности ограждения. Влага из воздуха может конденсироваться на внутренней поверхности ограждения и в его толще.

В реальных условиях эксплуатации невозможно устранить все причины появления влаги в материале, поэтому нужно максимально эффективно использовать имеющиеся возможности, в частности, подобрать строительные материалы с высокими теплотехническими показателями и наиболее рационально расположить их в толще ограждения.

Все выше изложенное явилось одной из предпосылок при постановке задачи, рассмотренной в данной работе. Второй предпосылкой являются требования современного СНиП «Строительная теплотехника» [100], которые предопределили переход от однослойных конструкций стен к многослойным, содержащим эффективный утепляющий слой.

Методики СНиП [99,100] основаны на стационарном режиме. Однако температуры редко остаются постоянными даже в течение суток, и влажность конструкции колеблется в широких пределах. Поэтому возникла необходимость разработки метода расчета многослойных ограждающих конструкций при нестационарном температурно-влажностном режиме их эксплуатации.

Актуальность работы обусловлена тем, что в настоящее время в России остро стоит проблема экономии топливно-энергетических ресурсов. Наиболее важная роль здесь отводится экономической оценке теплозащитной способности ограждающих конструкций. В связи с этим, а также в целях увеличения сроков эксплуатации зданий и достижения теплового комфорта находящихся в них людей, в современном строительстве большое значение имеет верный подбор материалов, из которых возводят наружные ограждения. Предлагаемая математическая модель позволяет проследить меняющуюся картину распространения тепла и влаги при различных условиях на внешней и внутренней поверхностях стены в течение заданного интервала времени и, как следствие, является удобным средством для проектировщика, задачей которого как раз и является соблюдение вышеназванных требований при разработке той или иной строительной конструкции.

В работе были поставлены две взаимосвязанные цели: исходя из паспорта специальности 05.17.08 — разработка методов изучения и создания ресурснои энергосберегающих процессов в химических и смежных отраслях промышленности, а из паспорта специальности 05.23.08 п. 4 — теоретические и экспериментальные исследования эффективности технологических процессов, выявление общих закономерностей путем моделирования и оптимизации организационно-технологических решений. Эти цели были объединены посредством создания методики расчета процесса взаимосвязанного тепломас-сопереноса, протекающего в теле многослойной конструкции, состоящей из различных строительных материалов, при максимально приближенных к реальным условиях их эксплуатации и изготовления, которая включает в себя разработку математической модели процесса и ее электронной версии.

Научная новизна работы состоит в следующем:

— разработана физико-математическая модель нестационарного взаимосвязанного тепломассопереноса в многослойной ограждающей конструкции для условий реальной эксплуатации и изготовления;

— получены аналитические решения отдельных задач взаимосвязанного теп-ловлагопереноса при несимметричных граничных условиях для отдельных слоев ограждающей конструкции;

— с помощью численных и аналитических методов получено решение краевой задачи тепломассопереноса для трехслойной (n-слойной) конструкции;

— получены новые качественные и количественные показатели процессов, протекающих в я-слойных ограждающих конструкциях, которые позволяют вести рациональное проектирование таких конструкций из любых строительных материалов.

На защиту выносятся:

— аналитические решения задач взаимосвязанного тепловлагопереноса при несимметричных граничных условиях для отдельных слоев ограждающей конструкции;

— физико-математическая модель взаимосвязанного тепломассопереноса в многослойной ограждающей конструкции;

— результаты реализации модели на персональном компьютере;

— результаты теоретических и натурных исследований теплофизических параметров трехслойной железобетонной панели ограждения при ее термо-влажностной обработке.

Практическое значение работы заключается в том, что в результате теоретических исследований и численного эксперимента получено решение краевой задачи для многослойной конструкции, использование которого позволяет добиться существенной экономии исследовательского оборудования, строительных материалов и энергоресурсов с учетом требований последней редакции СниП [99, 100].

Реализация метода на ЭВМ позволяет решать широкий класс задач по рациональному проектированию ограждений, зданий и сооружений, а также вести вариантное проектирование и работы обследовательского характера с целью оценки технического состояния конструкций.

Предложенная модель дает возможность проектировщикам отказаться от долговременных и дорогостоящих испытаний строительных ограждений, рационально спроектировать конструкцию на персональном компьютере в соответствии с режимом ее эксплуатации, оптимально подобрать материалы ее слоев, исходя из теплотехнических и конструктивных требований, оценить состояние конструкции на основе данных нестационарного процесса.

Полученные в работе результаты могут быть использованы не только в строительстве, но и в других отраслях промышленности с целью создания технологии и аппаратуры для отслеживания процессов тепломассопереноса.

Апробация работы.

Основные положения диссертации были доложены: на международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии» (X Бенардосовские чтения), ИГЭУ, 2001; опубликованы в статьях:

1 Федосов С. В., Ибрагимов A.M., Аксаковская J1.H. Комбинированный метод расчета процесса взаимосвязанного тепломассопереноса в многослойной оргаждающей конструкции // Состояние и перспективы развития электротехнологии: Тез. докл. международной научно-технической конференции. Иваново, 2001. С. 39.

2 Федосов С. В., Ибрагимов A.M., Аксаковская JI.H. Решение краевых задач взаимосвязанного тепломассопереноса в неограниченной пластине с несимметричными граничными условиями // Актуальные проблемы современного строительства: Материалы всероссийской XXXI научно-технической конференции 27−29 апреля 2001 года. Пенза, 2001. С. 201.

3 Федосов С. В., Ибрагимов A.M., Аксаковская Л. Н. Решение задач взаимосвязанного тепломассопереноса для многослойной ограждающей конструкции при несимметричных граничных условиях // Проблемы экогеоинформационных систем: Сборник трудов. Вып. З/ Иван. гос. ар-хит.-строит. акад.-Иваново, 2002. С.21−30;

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения с основными выводами, списка литературных источников и приложений. Текст работы изложен на 160 страницах, содержит 28 рисунков, 7 таблиц.

Заключение

.

Подведем итоги.

1. Разработано обобщенное математическое описание для процессов взаимосвязанного тепломассопереноса в приложении к строительным материалам и конструкциям, которое включает в себя математическую модель процесса: систему уравнений, описывающих процесс, аналитические решения задач тепломассопереноса для отдельных задач, метод сопряжения отдельных задач в общую задачу для слоистой средыблок-схему и программу реализации математической модели на ПЭВМ.

2. Предложен и реализован комбинированный метод расчета теплои массо-обменных процессов, протекающих в многослойных конструкциях, где слои состоят из строительных материалов с различными физико-механическими характеристиками. Метод основан на решении краевых задач с несимметричными граничными и неравномерными начальными условиями для отдельных слоев конструкции. Комбинирование этих решений позволяет моделировать множество реальных ситуаций, возникающих в плоских ограждающих конструкциях, грунтах, дорожных покрытиях и т. д.

3. В результате теоретических и экспериментальных исследований получены новые данные о кинетике процессов, протекающих в слоистых средах, состоящих из различных строительных материалов.

4. При наличии обширной базы характеристик материалов конструкции (коэффициентов тепломассопереноса), которые изменяются в зависимости от температуры и влажности, на основе того же метода можно получить еще более точные данные о динамике процесса тепломассопереноса. Для этого конструкцию следует разбить на гораздо большее количество слоев, руководствуясь при разделении не только номинальной однородностью материала, но и постоянством коэффициентов тепломассопереноса в каждом слое. При этом все средние слои будут описываться аналогично второму слою трехслойной конструкции. При программной реализации данной модели в целях сокращения времени расчета можно использовать распараллеливание вычислений.

5. Предлагаемая математическая модель позволяет решать следующие задачи:

— оценить теплофизическое состояние проектируемых конструкций при различных режимах эксплуатации и, как следствие, рационально запроектировать их под конкретный режим,.

— рассчитать поле температур и потенциала массопереноса в сложных многослойных конструкциях при обследовательских работах,.

— при лабораторных испытаниях существенно сократить время испытания, у исследователей появляется возможность не дожидаться установления регулярного режима,.

— при замере температуры в характерных точках (на стыках слоев и поверхности конструкции) позволяет определить тепло-физические характеристики материалов, составляющих обследуемую конструкцию,.

— появляется возможность отказаться от климатической камеры и дорогостоящего приборного обеспечения экспериментов и исследований,.

— программа реализации предложенного метода может быть использована в качестве составляющего элемента новой электронной версии СниП, которая позволит инженерам — проектировщикам проводить оптимальное проектирование ограждающих конструкций,.

— оптимизировать процесс автоклавной обработки многослойных железобетонных конструкций.

6. Исследования, проведенные авторами, позволяют учесть влажность входящих в состав конструкции строительных материалов и отразить нестационарность режимов реальной эксплуатации ограждения.

7. Полученные в работе результаты в силу общности математического описания могут быть использованы не только в строительстве, но и в других отраслях промышленности с целью создания технологии и аппаратуры для отслеживания процессов тепломассопереноса.

Список условных обозначений t — температура, (c) — потенциал массопереноса, т — время,.

Xq m — коэффициенты теплои массопроводности, aqjn — коэффициенты температуропроводности и потенциалопроводно-сти, aqifn — коэффициенты теплообмена и массообмена,.

5(c) — термоградиентный коэффициент, отнесенный к разности потенциалов массопереноса,.

5 — термоградиентный коэффициент, отнесенный к разности влагосо-держаний, cq, m ~ удельные теплоемкость и массоемкость, г — удельная теплота фазового перехода, е — критерий фазового перехода, Rt — размер /-го слоя, индекс «с» относится к характеристикам наружной среды, индекс «в» — к характеристикам внутренней среды, Fo — критерий Фурье, Lu — критерий инерционности,.

Ко, Ко — критерий Коссовича, модифицированный критерий Коссовича, Рп — критерий Поснова,.

Biqm — теплообменный и массообменный критерии Био, Kiq. m ~ теплообменный и массообменный критерии Кирпичева,.

VIЛ 1 2 П. «I If. — «* 1 л2.

1 + РпКо +— + (-1)\\ + РпКо л.

Lu J Vv Lu.

Lu i= 1, 2,.

P *.

Pl, 2 = Biq + > У 1,2 = iPnKo, ф! 2 = Bimbx2,.

Ко.

R = 2a (+ LuPnKo*) — 2 ALuKo*, P = (1 — s) BimKoLu;

ПРТ = Big — P Для задачи 1:

Mk=ifh — корни уравнения 03Hi=0,.

51, (c)siтемпература и потенциал массопереноса на правой стенке слоя, A T=te-t8l, А©- = (c)si — ©-е,.

S2 SRl2 MShx MRX NShx NRX.

Ди-—, «~s.

Д[, 2 = Д, 2 • s2 = Shh2s + SRl 2 = -Shtfil + SRh2,.

M[=M1-s2= MShxs + MRX = -MShx[i2k + MRX,.

N{ = Nx-s2= NShxs + NRX = -NShx[i2k + NRX,.

ОЗНх = (kx ch^) + Pj sh (kx))(k2y2 ch (k2) + ф2 sh (A:2)) k2 ch (k2) + p2 sh (^2))(^1y1 ch (^) + ф! sh (^)), для параболического начального распределения:

Shx 2 = (а + b + с)2 + Ко*(А + В + С), SRX 2 = 2а + R (2 -1),.

MShx =-bPCПРТ + Biqc, MRX = BiqR —^(2aR),.

Ко.

NShx = -BimKo* + BimKoC — Ко*В — PnKo*b, NRX = Bim (2a — R), для начального распределения в виде полинома третьей степени: S2 = (d + a + b + c) bxa+Ko*(D + А + В + С),.

SRX 2 = 2а + 3 • 2d + (R + 3Rd)(2 -1),.

MShx =-b-PC-ПРТ + Biqc, MRX = BiqR —^ (2aR) — 3 Rd,.

Ко.

NShx = -BimKo* + BimKoC — Ко*В — PnKo*b,.

NRX = Bim (2a-R)-3(2dRd)~3RdPnKo*, Для задачи 2: ik=iyfs^ - корни уравнения cos (pvi) = 0, — корни уравнения cos (pv2) = о, hi, (c)52- температура и потенциал массопереноса на правой стенке слоя, AT=te-t52, А©- = 0б2 — ев, s s s s s s.

Д[, 2= Дх, 2² =Shl2s-?SRU2=-S2i2k (muShl2[i2m) + SRU2,.

М'2 = М2 • s2 = MSh2s + MR2 = -MSh^l (или — MShгл2т) + MR2,.

N'2 = N2-s2= NS^s + NR2 = -NSh^^wiu — NSh^p2) + NR2, для параболического начального распределения: S2 = (a + b + c)2 + Ко*(A + B + C), SRX 2 = 2a + R (2 -1), MSh2=-(-s)KimKoLu + Kig+b, MR2=0,.

NShj, = -Ко*(B + Kim + Pn ((- z) KimKoLu — Kiq)), NR2=0, для начального распределения в виде полинома третьей степени:

Shx 2 =(d + a + b + c) by2 + KoD + A + В + С), £Я1>2 = 2a + 3 • 2d + (R + 3Rd)(by2 ~ 1),.

MShj = -(1 — 8) KimKoLu + Ki q +b, MR2=3Rd,.

NShz = -Ko*(B + Kim + Pn ((1 — 8) KimKoLu — Kiq)), NR2=-3(2dRd),.

Для задачи 3:

Xjc=iyjs^ - корни уравнения 03H3=0, A T=te-tc, A0 = 0c-0e, s s s s щ s + s1 '.

ВМ’Ъ = ВМЪ ¦ s2 = BMSh3s + BMR3 = -BMSha2k + BMR3, ВЩ = BN3 • s2 = BNSh3s + BNR3 = -BNSh3x2k + BNR3, M'3=M3-s2 — MSh3s + MR3 = -MSh3±2k + MR3, N3=N3 ¦s2=NSh3s + NR3=-NSh3ii2k + NR3, ОЗН3 = (pj chft) + ky sh (^))(A:2Y2 shft2) + Ф2 chft2)).

-(p2 chft2) + k2 shft2))(^1y1 shft^ + cp) chft)). для параболического начального распределения:

BMSh3 = -((1 — е) KimKoLu — Kiq — b), BMR3=0,.

BNSh3 = -Ko*(B + Kim + Pn ((1 — s) KimKoLu — Kiq)), BNRf= 0,.

NShi = —PnKo* (2a + b)~ Ко* (2 A + B)~ BimKo*(A + B + C), NR3=-Bim (2a-R),.

MSh3 = 2a + b + Biq (a + b + c) — P (A + B + C), Ко для начального распределения в виде полинома третьей степени:

Shy 2 = (d + a + b + c) b|>2 + Ko*(D + A + B + С), SRl 2 = 2a + 3−2d + (R + 3Rd)(.

BMSh3 = -((1 — 8) KimKoLu — Kiq — b), BMR3=3Rd,.

BNSh3 = -Ко* (B + Kim + Pn ((1 — 8) KimKoLu — Kiq)), BNR3= -3 (2d-Rd), MSh3 = 3d + 2a + b + Biq (d + a + b + c)-P (D + A + B + C),.

MR3 = BUR + 3Rd) —^r ((2a — R) + 3(2d — Rd)) + 3Rd,.

Ко.

NSh3 = -PnKo* (3d + 2 a + b) — Ко* (3D + 2 A + B) — BimKo* (D + A + B + C).