В современном строительстве эффективная тепловая изоляция

«Разработка программы для ЭВМ для оценки эффективности применения
теплоизоляционных материалов в многослойных ограждающих
конструкциях».
Жуков Артем Николаевич
Научный руководитель - доктор техн. наук, профессор А.Г. Перехоженцев
ФГБОУ ВПО "Волгоградский государственный архитектурностроительный университет"
В современном строительстве эффективная тепловая изоляция играет
огромную роль. Важнейшей целью теплоизоляции строительных конструкций
является сокращение расхода энергии на отопление здания в зимнее время и
снижение затрат на системы кондиционирования и вентиляции в теплый
период года. Нередко, затраты на СКВ и В превышают расходы на отопление в
1,5 – 2 раза. Поэтому, в соответствии с Федеральным законом Российской
Федерации от 23 ноября 2009 г. N 261-ФЗ «Об энергосбережении и о
повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в
отдельные законодательные акты Российской Федерации», исследования
направленные на повышение тепловой защиты ограждающих конструкций с
целью обеспечения требуемых параметров микроклимата помещений и
снижения затрат на системы кондиционирования воздуха и вентиляции
являются весьма актуальными.
При проектировании зданий, в которых должны обеспечиваться
требуемые параметры микроклимата, приходится рассматривать различные
варианты решений и выполнять сложные и многочисленные расчеты. Поэтому
для надежности, быстроты и точности используются программы для ЭВМ.
С этой целью был разработан программный продукт «Teplosol 1.0»,
позволяющий проводить расчеты нестационарной теплопроводности
многослойных конструкций и определять оптимальные условия для создания
требуемых параметров теплового режима в помещениях.
Программа написана в системе визуального, структурированного,
объектно-ориентированного программирования Borland Delphi 7 для Windows
XP/7/Vista и позволяет производить расчеты нестационарной теплопроводности
с учетом солнечной радиации в многослойных ограждающих конструкциях.
Для составления алгоритма программы расчета «Teplosol 1.0»
использовалось решение нестационарной теплопроводности многослойных
конструкций методом конечных разностей в явном виде. Исследуемая
физическая модель представляет составную конструкцию из n – слоев.
Задавшись граничными условиями на наружной и внутренней поверхности, а
также на стыке слоев последовательно определяются температуры в внутри
каждого слоя, на границе и поверхностях конструкции. При этом в программе
учитывается также влияние интенсивности солнечной радиации и месяц года,
выбранный для расчета.
Результаты расчетов по программе «Teplosol 1.0» обеспечивают
возможность всестороннего анализа температурного режима ограждающих
конструкций. Программа имеет удобный пользовательский интерфейс.
Подготовка исходных данных для расчета проста и удобна в применении.
Программа имеет модульную структуру, что обеспечивает возможность её
дальнейшего совершенствования.
Для оценки эффективности применения теплоизоляционных материалов
было проведено численное моделирование по программе «Teplosol 1.0»
различных вариантов конструктивных решений конструкции невентилируемой
совмещенной крыши.
Для проведения расчета в программный продукт «Teplosol 1.0» была
загружена типовая конструкция невентилируемой крыши, материалы которой
имеют следующие параметры, начиная с внутреннего слоя:
1 слой –
штукатурка цементно-песчаная с окраской побелкой толщиной 20 мм; 2 слой –
железобетонная многопустотная плита перекрытия 220 мм; 3 слой – пергамин 2
мм; 4 слой – керамзит по уклону толщиной 160 – 180 мм; 5 слой – цементнопесчаная стяжка 50 мм; 6 слой – битумно-эмульсионная мастика на твердых
эмульгаторах 3 – 5 мм. Исследуемая конструкция обладает недостаточной
тепловой устойчивостью и теплозащитой, в результате чего в теплый период
года под действием высоких температур наружного воздуха и солнечной
радиации перегревается, тем самым нарушается тепловой режим в помещениях
верхних этажей существующих жилых и общественных зданий.
Для повышения тепловой эффективности данной конструкции
невентилируемой крыши было рассмотрено несколько конструктивных
решений с применением различных теплоизоляционных материалов.
Первый вариант заключался в укладке дополнительного слоя из жестких
минеральных плит по существующему гидроизоляционному ковру (ρмп = 120
кг/м3, δмп = 0,03 м, λмп = 0,06 Вт/(м∙°С)) (рис. 3а).
Согласно второму варианту, после снятия старой гидроизоляции на
существующую стяжку укладываются два слоя минеральных плит с
последующем их перекрытием плитами ЦСП и устройством кровельного ковра
из мастики «Элон» (ρут = 120 кг/м3, δут = 0,06 м, λут = 0,064 Вт/(м∙°С)) (рис. 3б).
Третий вариант предусматривал укладку плит пенополистирола с
устройством нового гидроизоляционного слоя из битумных мастик темносерого цвета (ρпп = 100 кг/м3, δпп = 0,03 м, λпп = 0,041 Вт/(м∙°С)) (рис. 3в).
Для моделирования четвертого варианта в качестве дополнительной
теплозащиты применялись минераловатные плиты с устройством цементнопесчаной стяжки и укладкой гидроизоляционного слоя со светоотражающим
защитным покрытием с коэффициентом поглощения солнечной радиации 0,3
(ρмв = 100 кг/м3, δмв = 50 мм, λмв = 0,041 Вт/(м∙°С)) (рис. 3г).
На рис. 1 представлены температурные распределения исследуемых
конструкций невентилируемых крыш с дополнительной теплозащитой.
а)
б)
в)
г)
Рис. 1 Температурные распределения в толще конструкции крыши с
дополнительным теплоизоляционным слоем
а) плита минеральная, δ = 30 мм; б) два слоя минеральных плит, δ = 60 мм; в)
пенополистирол, δ = 30 мм; г) плита минеральная со светоотражающим
покрытием светлого тона δ = 50 мм.
В результате численного моделирования было выявлено, что
использование дополнительного теплоизоляционного слоя непосредственно
влияет на снижение температуры внутренней поверхности ограждения, что
приводит к обеспечению температурных параметров в помещении. При этом
увеличение толщины теплоизоляционного слоя с 30 мм до 50 мм приводит к
снижению температуры внутренней поверхности на 1,5 – 2 °С.
Однако наибольший эффект достигается за счет снижения температуры
наружной поверхности ограждения. Использование покрытий светлых тонов с
Температура, град
низким коэффициентом поглощения солнечной радиации (0,3 – 0,4)
существенно влияет на температуру наружной поверхности крыши. При
сравнении результатов численного моделирования конструкций с
использованием плит минеральных (рис. 3 а и 3 г) снижение температуры за
счет светлого покрытия составила 10 – 12 °С. При этом температура
внутренней поверхности снизилась на 2 – 3 °С и составила +26,5 °С.
С целью исследования теплового режима в помещении, с рассмотренной
конструкцией крыши с дополнительным теплоизоляционным слоем из
минеральных плит со светоотражающим покрытием, по результатам
моделирования был построен график распределения температуры на наружной
и внутренней поверхности крыши, внутреннего воздуха и плотности теплового
потока (рис. 2).
Время, час
Рис. 2 Распределение температуры наружной и внутренней поверхности
совмещенной крыши и внутреннего воздуха в помещении
1 – температура наружной поверхности, °С; 2 – температура внутренней
поверхности, °С; 3 – температура внутреннего воздуха, °С.
Температурный режим в помещении с данной конструкцией крыши
обеспечивает требуемые параметры: среднесуточная температура составляет
+ 25,1 °С, при этом не превышаются значения оптимальной и требуемой
температуры, представленной в таблице 2 ГОСТ 30494-96 «Здания жилые и
общественные. Параметры микроклимата в помещениях». Проведенный расчет
на теплоустойчивость данной конструкции также подтверждает эффективность
применения, приведенная амплитуда колебаний внутренней поверхности Aτвпр
равная 1,84 ºС не превышает требуемую Aτвтр = 2,2 ºС. При этом согласно
расчету по зимним условиям данная конструкция удовлетворяет требованиям
по обеспечению условия энергосбережения, санитарно-гигиенических и
комфортных, в результате повышения сопротивления теплопередаче до Rк =
3,12 (м2·°С)/Вт.
Разработанный программный продукт расчета теплового режима
ограждающих конструкций «Teplosol 1.0» позволяет прогнозировать тепловой
режим в помещениях и ограждающих конструкциях в теплый период года при
проектировании и реконструкции зданий, а также проводить расчет на перегрев
и подбирать толщину теплоизоляционных слоев и является эффективным
средством, позволяющим проводить расчеты с достаточной быстротой и
надежностью.
© Жуков А.Н., 2013