Выбор термического сопротивления наружных ограждений с учетом переменных тепловых воздействий

Для современного промышленного и жилищно-коммунального строительства нашей страны характерен непрерывно увеличивающийся рост его объемов. Только за годы десятой пятилетки капитальные вложения в народное хозяйство составили 634 млрд руб., причем в жилищное строительство направлено 87,2 млрд руб., что на 1,5 млрд руб. больше, чем намечалось. Население страны получило 530 млн. квадратных метров жилой площади [I] .

Признано необходимым сохранить нынешние масштабы жилищного строительства на все годы одиннадцатой пятилетки, одновременно улучшая качество строительства жилья [2]. За этот период намечено ввести в действие жилые дома общей площадью 530−540 млн. квадратных метров [ 3 ] .

Жилищное строительство должно теснее увязываться с решением производственных задач. Темпы освоения новых районов Сибири и Дальнего Востока, развитие Нечерноземья, повышение сменности работы действующих предприятий во многом определяются наличием благоустроенного жилья.

Следует отметить, что для современного этапа строительства характерен преобладающий объем крупнопанельного и объемно-блочного домостроения, так как этот путь обеспечивает бесспорные преимущества в части организации производства работ, механизации трудоемких процессов, применения строительных материалов, уменьшения веса стеновых панелей, повышения производительности труда, улучшения качества ограждений и т. д.

В Минске объем крупнопанельного домостроения достиг в 1980 году 81,3 $, в эксплуатацию сдано 580,08 тыс. ь^ общей площади [4]. Аналогичная тенденция наблюдается и для других районов нашей страны. Так, в наращивании объемов жилищного строительства Дальнего Востока, решающая роль принадлежит крупнопанельному домостроению, где уже в конце десятой пятилетки 55 $ общей площади приходилось на долю крупнопанельных и объемно-блочных зданий, что позволило сократить трудоемкость работ на стройплощадке и продолжительность строительства в 2−2,5 раза [5] по сравнению с затратами на возведение кирпичных зданий.

Уровень применения крупнопанельных зданий в городах Сибири в 1982 году составил 70−90 $ общих объемов жилищного строительства и 8−10 $ в застройке сельских населенных мест 6. В целом по РСФСР удельный вес полносборного домостроения в общем объеме жилищного строительства, выполняемого государственными подрядными строительными организациями, повысился в 1982 году до 68,5 $ или на 13 $ по сравнению с 1975 годом [7] .

Наряду с увеличением удельного веса крупнопанельного и объемно-блочного домостроения происходит непрерывный процесс совершенствования типов полносборных домов, их конструктивных решений и технологии заводского строительного производства. Успешное выполнение этих задач зависит от целого комплекса вопросов, связанных как со строительством, так и созданием ограждающих конструкций.

Создание многослойных наружных ограждений с дифференцированным назначением слоев и использованием новых высокоэффективных утеплителей позволяет снизить затраты на единицу продукции (1м2 ограждения), уменьшить вес конструкций, улучшить их качество и сократить единовременные и эксплуатационные расходы.

В процессе создания ограждающих конструкций важным элементом решения задачи является правильный и экономически обоснованный расчет, ибо, учитывая масштабы строительства и широкое использование типовых проектов, каждый просчет грозит обернуться значительными потерями либо в единовременных, либо в эксплуатационных расходах.

Как показано в исследованиях[8 — 70 ], основанных на результатах натурных проверок, состояния жилых и общественных зданий, построенных в 1960;1975 годах (годы перехода к широкому использованию новых материалов и индустриализации строительства), удельный расход тепла на один квадратный метр площади увеличился на 45−50 $ против предыдущего периода строительства [17] .

Учитывая, что к 1990 году предусмотрено значительное повышение благоустройства и комфорта жилых и общественных зданий в городах и сельской местности (увеличение норм общей площади, более широкое применение сю тем горячего водоснабжения, приточной вентиляции и кондиционирования воздуха, увеличение объемов строительства в северных районах [24], то очевидно, что удельные теплопотери, при неизменности норм и правил к защитным свойствам ограждений, возрастут еще больше.

Поскольку для изготовления многослойных ограждающих конструкций используются новые, имеющие лучшие теплозащитные свойства, или местные, но, как правило, более дешевые материалы, а стоимость энергии имеет тенденцию к возрастанию, то эксплуатационные расходы должны возрасти еще больше, чем увеличение расхода тепла.

На ноябрьском (1979 г.) Пленуме ЦК КПСС отмечалось, что «применительно к 80-м годам задача состоит в том, чтобы существенно улучшить топливно-энергетический баланс страны и, что сбережение тепла и энергии и впредь будет важнейшей общегосударственной задачей'.1.

В Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981;1985 годы и на период до 1990 года подчеркивается, что за годы новой пятилетки необходимо обеспечить экономию топлива и энергетических ресурсов в народном хозяйстве в количестве 160−170 млн. тонн условного топлива. Такая экономия равнозначна сбережению 220−235 млн. тонн угля, тогда как весь прирост его добычи в 1985 году по сравнению с 1980 годом составит 54−84 млн* тонн [3].

В силу вышесказанного становится очевидной важность и актуальность совершенствования методики теплотехнического расчета наружных ограждений с учетом экономической обоснованности для создания оптимальных конструкций.

Как следует из [71], методика расчета и выбора необходимой.

— р. опт. величины оптимального термического сопротивления (К0) содержит несколько десятков параметров с нечетко определенными интерт"опт валами изменения. В силу этого величина К0 не является однозначной, поскольку завюит от того, какое сочетание параметров было взято.

В существующей литературе рекомендуемые методики расчета и выбора минимально необходимого, оптимального и экономически целесообразного сопротивлений теплопередаче разработаны недостаточно четко [ 12, 17, 29, 73 ]. Неоднозначность выбора величины термического сопротивления наружных ограждений позволила сделать неверные выводы относительно возможности использования непригодной конструкции (п. 21.9 [69]).

Несовершенством методики теплотехнического расчета, по-видимому, можно объяснить и медленное использование новых утеплителей при создании ограждающих конструкций и их длительные дальнейшие натурные исследования с целью определения пригодности в той или иной строительно-климатической зоне.

Исходя из вышеизложенного, целью представленных в настоящей работе исследований является:

1) проведение анализа существующих методов теплотехнического расчета и выбора величины требуемого термического сопротивления теплопередаче наружных ограждений;

2) разработка метода определения наружных температур при расчете и выборе необходимого термического сопротивления;

3) изучение вопросов, направленных на выявление учета переменных тепловых воздействий на ограждающие конструкции, и схемы выбора величины требуемого термического соцротивления;

4) обоснование метода оптимизации толщины наружных ограждений в зависимости от типа и назначения здания;

5) анализ пригодности конструкций, рекомендуемых к использованию в промышленно-гражданском строительстве Белоруссии.

Согласно цели настоящей работы были поставлены и выполнены следующие основные задачи:

— на основе анализа существующих методов теплотехнического расчета показаны причины, приводящие к увеличению теплопотерь;

— показана некорректность метода выбора расчетных наружных температур, используемых при определении термического сопротивления, и предложен метод их выбора;

— предложена методика учета влияния переменных тепловых воздействий при определении термического сопротивления;

— предложен метод оптимизации толщины утеплителя;

— предложен метод оптимизации теплозащитных качеств конструкций в зависимости от типа и назначения здания;

— выполнен расчет и проведен анализ пригодности конструкций, используемых в промышленно-гражданском строительстве Белоруссии, и даны рекомендации по улучшению их теплозащитных качеств.

Научная новизна работы заключается в следующем:

— исследована теплопередача через наружные ограждения при переменных тепловых воздействиях;

— показано, что используемые нормативными документами [71] как опорные параметры Б, I?, не характеризуют реальные условия теплопередачи, а методики оценки пригодности наружных ограждений требуют уточнения и усовершенствования;

— в зависимости от климатических условий, типа и назначения помещения предложена методика выбора расчетных параметров наружных ограждений;

— предложен метод выбора оптимальной величины термического сопротивления наружных ограждений и оценки района их применения;

— предложен новый подход к созданию на стадии проектирования наружных ограждающих конструкций и выбору требуемого термического сопротивления, состоящий в применении метода последовательных приближений по различным параметрам, определяющим санитарно-гигиенические и экономические требования, предъявляемые к конструкциям;

— на основе разработанной методики и полученных расчетных соотношений выполнен анализ пригодности конструкций, используемых в промышленно-гражданском строительстве Белорусской ССР,.

Для каждой из двадцати указанных конструкций даны конкретные рекомендации по увеличению их термического сопротивления до экономически целесообразного, обеспечивающего экономию тепла по сравнению с конструкциями с минимально допустимыми сопротивлениями на 25−30 $ и с рекомендуемыми в. настоящее время на 15−25 $, На этой основе в диссертационной работе получены и защищаются научные положения:

— оптимальное термическое сопротивление теплопередаче наружных ограждений зданий необходимо определять, учитывая стоимость материала утеплителя, тепловой энергии и параметры конструкции, а также предполагаемые районы строительства.

При решении задачи теплопередачи через многослойные наружные ограждения необходимо учитывать переменные тепловые воздействия, характеризующие неравномерность тешюпотерь;

— методика выбора расчетных наружных температур в зависимости от типа и назначения здания с учетом специфики климатической зоны;

— новый подход на стадии проектирования наружных ограждающих конструкций, основанный на методе последовательных приближений выбора требуемого термического сопротивления с учетом санитарно-гигиенических и экономических требований, предъявляемых к конструкциям.

Практическая ценность диссертационной работы состоит в том, что разработанные с учетом переменных тепловых воздействий методы определения наружных температур при расчете и выборе необходимого термического сопротивления, оптимизации толщины наружных огравдений в зависимости от типа и назначения здания имеют большое значение при создании новых перспективных конструкций и могут быть использованы при пересмотре и усовершенствовании существующих норматишых документов строительной теплотехники.

Полученные данные по выбору расчетных наружных температур, температурных полей и времен запаздывания колебаний температур и тепловых потоков использовались в Институте строительства и архитектуры Госстроя БССР, Белорусском государственном проектном институте «Белгоспроект» Госкомитета по делам строительства при Совете Министров БССР, а также в проектной организации «Военпроект» при выполнении теплофизических расчетов многослойных ограждающих конструкций и оценке пригодности их в промыш-денно-гражданском строительстве Белоруссии.

Основные положения и результаты диссертационной работы доложены на Всесоюзной научно-технической конференции по тепловому режиму и учету климата в строительстве, Владивосток, 1975 г., Международной конференции по микроклимату жилища, Вроцлав, ПНР, 1977 г., на научных семинарах Института теплои массообмена им. А. В. Лыкова и Института прикладной физики АН БССР, а также Белорусского государственного института «Минскпроект» и Одесского технологического института холодильной промышленности. |.

По теме диссертации опубликовано б статей и монография,.

Структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и приложения. Объем работы: 132 страницы основного текста, 3 рисунка, 12 таблиц и 10 страниц приложения. Библиография содержит 125 наименований.

ВЫВОДЫ.

1. Анализ методов теплотехнического расчета наружных огражда->щих конструкций показал, что рекомендуемые Строительными нормами правилами (СНиП П-3−79) параметры некорректно учитывают пере-<�енные тепловые воздействия и специфику климатической зоны. В силу «того вариация величин рекомендуемых нормативными документами па-)аметров не позволяет усовершенствовать методику теплотехнического >асчета наружных ограждений.

2. Исследована теплопередача (нестационарный случай) при геременных тепловых воздействиях на наружной поверхности ограждающих конструкций. Получены соотношения, позволяющие рассчитывать? емпературы и тепловые потоки, а также времена запаздывания коле->аний температуры и тепловых потоков в многослойных ограждениях.

3. Проведенный анализ теплопередачи через многослойные ограж-1,ения на основании полученных соотношений показал, что используемые нормативными документами (СНиП П-3−79) параметры Б, I?, неоднозначно определяют теплопотери, а методики оценки пригод-[ости наружных ограждений требуют уточнения и усовершенствования.

4. Предложен новый подход к созданию на стадии проектирования тружных ограждающих конструкций и выбору требуемого термического^{противления,} состоящий в применении метода последовательных при-5лижений по различным параметрам, определяющим санитарно-гигиени-юские и экономические требования, предъявляемые к конструкциям.

5. Разработана методика определения экономически целесообраз-юй величины термического сопротивления, учитывающая геометричес-сие, теплофизические и стоимостные характеристики наружных ограждений.

6. Разработаны методы выбора расчетных наружных температур и >асчета температурных полей, которые можно использовать при оптимиации наружных ограждающих конструкций в зависимости от типа и азначения зданий, а также специфики строительно-климатической оны.

При этом расчет времен запаздывания колебаний температур и епловых потоков дал хорошее совпадение с результатами натурных ©-следований: (так эксперимент дает 5 час.15 мин., а расчет — 5шс. 5 мин.).

7. На основе разработанных методов выполнены расчеты для онструкций, используемых в промышленно-гражданском строительстве елоруссии, и даны конкретные рекомендации для каждой из указанных онструкций по увеличению термического сопротивления до экономичес-, и целесообразного, которое обеспечивает экономию топлива по срав-:ению с минимально допустимым сопротивлением на 25−30% и с рекомен-уемым в настоящее время на 15−25%.

8. В Институте строительства и архитектуры при Госстрое БССР ¡-ыл выполнен теплофизический расчет комплексной плиты покрытия ПСК. асчет выполнялся с использованием математической модели теплопередачи, разработанной в настоящей работе.

Заводом ЖБИ $ 214 г. Минска были разработаны плиты указанной инструкции в объеме 5400 квадратных метров, экономический эффект >т использования этих плит составил 16,2 тыс. руб.