Некоммерческое
партнерство
инженеров
Инженеры по отоплению, вентиляции, кондиционированию воздуха, теплоснабжению и строительной теплофизике
(495) 984-99-72 НП "АВОК"

(495) 621-80-48 Секретарь (тел./факс) ООО ИИП "АВОК-ПРЕСС"
(495) 107-91-50

АВОК ассоциированный
член
Summary:

Results of heat transmission resistance calculation in outside wall panels

G.P. Vasilyev, Doctor of Engineering, SUE “NIIMosstroy”
V.A. Lichman, Candidate of Physics and Mathematics, SUE “NIIMosstroy”
S.S. Golubev, Graduate Student in SEI VPO MGSU

Keywords: thermotechnical tests, cold bridge, thermotechnical characteristics

A series of thermotechnical tests of outside wall panels was carried out in several Moscow house building companies. The main objective of the works performed is identification and evaluation of the effect from cold bridges on thermotechnical parameters of wall panels, development of technical solutions for their elimination, approbation of theoretical methods of calculation of thermotechnical characteristics of panel buildings. The article presents results of thermotechnical tests and theoretical calculations.

Описание:

Г. П. Васильев, доктор технических наук, ГУП «НИИМосстрой»
В. А. Личман, кандидат физико-математических наук, ГУП «НИИМосстрой»
С. С. Голубев, аспирант ГБОУ ВПО МГСУ

Проведена серия теплотехнических испытаний наружных стеновых панелей нескольких московских домостроительных комбинатов. Основные задачи выполненных работ – выявление и оценка влияния «мостиков холода» на теплотехнические качества наружных стеновых панелей, разработка технических решений по их устранению, апробация теоретических методов расчета теплотехнических характеристик панельных зданий. Результаты теплотехнических испытаний и теоретических расчетов приведены в статье.

Результаты определения сопротивления теплопередаче наружных стеновых панелей

Проведена серия теплотехнических испытаний наружных стеновых панелей нескольких московских домостроительных комбинатов. Основные задачи выполненных работ – выявление и оценка влияния «мостиков холода» на теплотехнические качества наружных стеновых панелей, разработка технических решений по их устранению, апробация теоретических методов расчета теплотехнических характеристик панельных зданий. Результаты теплотехнических

Теплотехнические испытания

Серия теплотехнических испытаний наружных стеновых панелей и фрагментов некоторых узлов проводилась в климатической камере ГУП «НИИМосстрой» (рис. 1).

Климатическая камера

Рисунок 1.

Климатическая камера

Сопротивление теплопередаче панелей экспериментально определялось несколькими методами: согласно ГОСТ 26254–84, путем измерения температур и удельных тепловых потоков; прямым методом измерения коэффициента теплопередачи многофункциональным прибором Testo-435 по температурам в четырех выбранных точках и путем измерения температурного поля на поверхности панели прямым контактным методом (рис. 2) или с помощью откалиброванных термограмм.

Температурное поле поверхности панели

Рисунок 2.

Температурное поле поверхности панели (оконный проем вырезан). Видны «мостики холода», обусловленные жесткими дискретными связями, петлями и другими теплопроводными включениями

Сопротивление теплопередаче измеряемого фрагмента панели в третьем методе определяется из соотношения R0пр = R0эксп · r, где R0эксп = (tinttext)/ /qэксп – сопротивление теплопередаче в выбранной точке; tint, text и qэксп – экспериментально измеренные температуры внутреннего и наружного воздуха, °C, и удельный тепловой поток, Вт/м2. Коэффициент вычисляется как отношение объемов

или оценивается из соотношения r = (tint – τ0int) / (tinttintсред), где τ0int – экспериментально измеренная температура на поверхности выбранной точки, в которой определено сопротивление теплопередаче R0эксп; τint(x, y) – массив экспериментально измеренных температур поверхности фрагмента панели и tintсред – вычисленная на их основе средняя температура поверхности измеряемого фрагмента панели.

Некоторые результаты испытаний наружных стеновых панелей с гибкими металлическими связями приведены в табл. 1.

Совместно с конструкторами проектных мастерских и технологами-производителями разрабатывались технические решения по устранению наблюдаемых «мостиков холода».

Таблица 1
Результаты испытаний наружных стеновых панелей с гибкими металлическими связями
Панель, производство Толщина
панели,
мм
Утеплитель:
плотность,
кг/м3;
толщина, мм
R0r,
2·°C/Вт)
Панель МН-7, 111М серия, глухая,
ГВСУ «ЦЕНТР»
400 «Неопор»: 42; 150 3,51
Панель 8Н24–3 И155Мм (к),
глухая, СУ-155
400 ПСБ: 32; 180 3,54
Панель 7СН287, с оконным
проемом, Домодедовский ЗЖИ
400 ПСБ: 33; 200 3,57

Расчет приведенного сопротивления теплопередаче

Приведенное сопротивление передаче жилого панельного дома рассчитывается по чертежам типового этажа. Проведены расчеты сопротивлений теплопередаче типовых этажей для домов серий 111М, П44, КОПЭ-ПАРУС, П3М. В качестве фрагментов ограждающих конструкций здания выбираются все панели типового этажа, каждая из которых описывается по крайней мере тремя узлами связи с соседними панелями. Теплотехнические двухмерные и трехмерные расчеты узлов конструкций выполнялись путем решения стационарной задачи теплопроводности. Рассмотрим в качестве примера глухую трехслойную железобетонную панель типа МН-7 111М строительной системы. Выделим в ней три типа элементов по размерности их проекций: плоские, линейные и точечные [1–3].

Плоские элементы, суммарной площадью ∑Ai(2),– это участки однородной удельной плотности теплового потока – «гладь ограждающей конструкции». Теплотехнические характеристики плоских элементов можно оценить из простых аналитических выражений.

Линейные элементы, суммарной площадью ∑Aj(1),– стыки панелей, оконные и дверные откосы и т. д. – элементы, у которых один размер существенно меньше другого и мал по сравнению с размерами рассматриваемого элемента ограждающей конструкции. Линейные элементы могут моделироваться в декартовых координатах в виде двухмерных задач.

Точечные элементы, суммарной площадью ∑Ak(0),– металлические связи панелей, шпонки и т. д. – элементы, у которых размеры их проекций на поверхность ограждения малы по сравнению с площадью рассматриваемого фрагмента. Точечные элементы должны моделироваться в декартовых координатах в трехмерном виде, или двухмерном – в цилиндрических координатах. Таким образом, общая площадь панели – фрагмента ограждающей конструкции – A = ∑Ai(2) + ∑Aj(1) + ∑Ak(0).

Запишем формулы для вычисления приведенного сопротивления теплопередаче панели:

(1)

где – приведенная удельная плотность теплового потока, Вт/м2;
tint, text– расчетные температуры внутреннего и наружного воздуха, °C;
qj2D = (∆qj2Dqусл) – величина дополнительных удельных тепловых потерь через линейную теплотехническую неоднородность j-вида, Вт/м2;
qk3D = (∆qk3Dqусл) – величины дополнительных удельных тепловых потерь через точечную теплотехническую неоднородность k-вида, Вт/м2.

Условный удельный тепловой поток qусл, Вт/м2 вычисляется из соотношения: qусл = (tinttext)/R0усл. Сопротивление теплопередаче панели по «глади» R0усл, м2·°C/Вт – условное сопротивление теплопередаче, может быть вычислено, как уже отмечалось, аналитически:.

(2)

Удельный тепловой поток qj2D, Вт/м2 определяется путем двухмерного компьютерного моделирования тепловых процессов для заданной конструкции. Удельный тепловой поток qk3D, Вт/м2 определяется путем трехмерного компьютерного моделирования тепловых процессов для заданной конструкции.

Введем величины:
ψj = hj (qj2Dqусл)/(tinttext), Вт/м2·°C – удельные потери теплоты через j-ю линейную неоднородность и
χk = Ak(0) (qk3Dqусл)/(tinttext), Вт/°C – удельные потери теплоты через k-ю точечную неоднородность.

Пусть площадь линейного j-элемента ∑Aj(1) = Lj · hj, где Lj – его протяженность; hj – ширина. Тогда приведенное сопротивление теплопередаче панели R0пр, м2·°C/Вт, записанное в виде выражения (1), удобно представить в виде:

(3)

Коэффициент теплотехнической однородности панели r = qусл/qпр = R0пр/R0усл.

Теплотехнические двухмерные и трехмерные расчеты выполнены путем решения стационарной задачи теплопроводности в рамках конечно-элементного программного комплекса ANSYS. Граничные условия третьего рода выбирались согласно СНиП 23–02–2003, в виде конвективного теплообмена в узлах: на внутренней поверхности стены с коэффициентом теплоотдачи αint = 8,7 Вт/м2·°C и температурой внутри помещения tint = +20 °C, на внешней поверхности стены αext = 23 Вт/м2·°C и температурой окружающей среды text = –28 °C. В качестве конечных элементов использовались четырехугольные плоские квадратичные элементы PLANE77. Различным элементам конструкции присваивались соответствующие им теплотехнические характеристики материалов. Значения коэффициентов теплопроводностей материалов ограждающих конструкций выбирались согласно СП 23–101–2004: для утеплителя пенополистирола типа «Неопор» λБ = 0,037 Вт/м2·°C; железобетона λБ = 2,04 Вт/м2·°C; металлических связей λБ = 58 Вт/м2·°C; утеплителя «Вилатерм» λБ = 0,06 Вт/м2·°C; цементно-песчаного раствора λБ = 0,93 Вт/м2·°C. Толщины трехслойной железобетонной панели: наружного бетонного слоя – 80 мм, утеплителя – 150 мм, внутреннего бетонного слоя – 170 мм.

Рассматриваемая стеновая панель типа МН-7 имеет два вертикальных стыка с обозначениями «узел 1–2» и «узел 1–4» и два горизонтальных стыка с обозначением «сечение Б–Б». Результаты расчетов распределений температурных полей изображены на рис. 3.

Результаты моделирования распределения температурных полей в двухмерных моделях

Рисунок 3.

Результаты моделирования распределения температурных полей в двухмерных моделях узла «1–4» (вверху слева), узла «1–2» (вверху справа), «сечения Б–Б» (внизу слева) и трехмерной модели в области металлической связи (внизу справа) трехслойной железобетонной панели

Полученные распределения удельных плотностей тепловых потоков по внешней стороне панели использованы для получения величины удельной плотности теплового потока qj2D, Вт/м2. Интегрирование проводилось в пределах размеров каждого узла и сечения. На рис. 4 приведены результаты расчетов удельной плотности теплового потока на внешней поверхности «сечения Б–Б». Условный удельный тепловой поток qусл характеризуется постоянным значением, но в области горизонтального стыка панелей удельный тепловой поток возрастает, образуя дополнительные удельные тепловые потери ∆qj2D = (qj2Dqусл). Результаты двухмерных расчетов сведены в табл. 2.

Таблица 2
Результаты двухмерных расчетов для панелей типа МН-7
Элементы конструкции, обладающие
линейными теплотехническими
неоднородностями
Lj · hj = Aj,
м2
qj
2D,
Вт/м2
ψj,
Вт/м2·°C
1 Узел «1–4» 2,8 · 0,4 = 1,12 17,7 0,055
2 Узел «1–2» 2,8 · 0,4 = 1,12 12,4 0,011
3 Сечение «Б–Б» 2,45 · 0,8 = 1,96 12,6 0,026

Точечные неоднородности, образуемые в области металлической связи панели, моделируются в декартовых координатах в трехмерном виде (рис. 5 и 6). Приведенный удельный тепловой поток, полученный путем трехмерного компьютерного моделирования тепловых процессов в области металлической связи, равен q13D = 13,1 Вт/м2; величина χ1 = 0,018, Вт/°C; радиус влияния одной связи rсв = 0,25 м.

В результате расчетов получено, что сопротивление теплопередаче панелей типа МН-7 с утеплителем «Неопор» равно R0пр = 3,63 (м2·°C)/Вт; сопротивление теплопередач по «глади» R0усл = 4,34 (м2·°C)/Вт; коэффициент теплотехнической однородности панели r = 0,84. Аналогично проводился расчет для всех панелей типового этажа, и далее вычислялась величина приведенного сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций всего здания. Результаты расчетов достаточно хорошо согласуются с данными теплотехнических испытаний панелей.

Рассмотренный теоретический подход определения приведенного сопротивления теплопередаче позволяет определить вклад элементов каждого типа в потери теплоты через ограждающие конструкции здания, выявить наиболее слабые в теплотехническом отношении элементы ограждающих конструкций и принять меры по их утеплению. Результаты выполненных теплотехнических испытаний показали реальную возможность достижения требуемых показателей для наружных стеновых панелей. Показано, что современные методы моделирования тепловых процессов являются мощным инструментарием по улучшению теплотехнических качеств ограждающих конструкций зданий, выявлению и устранению «мостиков холода».

Распределение удельных плотностей теплового потока q, Вт/м2 на внешней поверхности «сечения Б–Б»

Рисунок 4.

Распределение удельных плотностей теплового потока q, Вт/м2 на внешней поверхности «сечения Б–Б»

Геометрическая трехмерная модель гибких металлических связей несущей панели 111М строительной системы

Рисунок 5.

Геометрическая трехмерная модель гибких металлических связей несущей панели 111М строительной системы

Распределение температуры на внутренней поверхности панели в области металлической связи

Рисунок 6.

Распределение температуры на внутренней поверхности панели в области металлической связи

Литература

  1. ISO 10211:2007 Thermal bridges in building construction – Heat flows and surface temperatures – Detailed calculations.
  2. ISO 14683:2005 Thermal bridges in building construction – Linear thermal transmittance – Simplified methods and default values.
  3. Гагарин В. Г., Козлов В. В. Теоретические предпосылки расчета приведенного сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций // Строительные материалы. – 2010. – № 12.
купить online журнал подписаться на журнал
Поделиться статьей в социальных сетях:

Статья опубликована в журнале “АВОК” за №4'2012

распечатать статью распечатать статью


Реклама
Реклама на нашем сайте
Яндекс цитирования

Подписка на журналы

АВОК
АВОК
Энергосбережение
Энергосбережение
Сантехника
Сантехника
Онлайн-словарь АВОК!


Реклама на нашем сайте