Анализ влияния угловых стыков на тепловые потери наружных стен Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Тепловая защита зданий

------ЖИЛИЩНОЕ ---

строительство

Научно-технический и производственный журнал

УДК 519.6:692.22:697.12:697.536

Н.Д. ДАНИЛОВ, канд. техн. наук ([email protected]), П.А. ФЕДОТОВ, инженер

Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова (677000, г. Якутск, ул. Белинского, 58)

Анализ влияния угловых стыков на тепловые потери наружных стен

Проведен расчет в зоне угла однородных наружных стен с разной толщиной с применением программы расчета двухмерных температурных полей при постоянном значении сопротивления теплопередаче. Рассмотрены и угловые стыки применяемых в строительстве конструкций. Установлены значения температуры на внутренней поверхности угла стен, расстояния от угла до начала формирования одномерного температурного поля. Подтверждено, что температура в углу практически не зависит от изменения толщины стен. Уточнено расстояние от угла до появления одномерного температурного поля, которое увеличивается с повышением толщины ограждения и составляет 2,4 калибра. Определены тепловые потери через стены с учетом влияния наружного угла. Установлено, что дополнительные тепловые потери в угловых помещениях возрастают с увеличением толщины стен и уменьшением площади помещения.

Ключевые слова: стены; наружный угол; температура; сопротивление теплопередаче; тепловые потери.

N.D. DANILOV, Candidate of Sciences (Engineering) ([email protected]), P.A. FEDOTOV, Engineer North-Eastern Federal University named after M.K. Ammosov (58 Belinsky Street, 677000, Yakutsk, Republic of Sakha (Yakutia), Russian Federation)

Analysis of Influence of Corner Joints on Heat Losses of External Walls

The calculation in the corner zone of homogenous external walls of different thickness with the use of the program of two-dimensional temperature field calculations at the permanent value of resistance to heat transfer has been done. Corner joints used in construction of structures were also considered. Temperature values on the internal surface of the wall corner, distances from the corner up to the beginning of the temperature field formation have been established. It is confirmed that the temperature in the corner does not practically depend on changes in the wall thickness. The distance from the corner up to the advent of the one-dimensional temperature field which increases with the increase in the thickness of enclosure and equals to 2.4 calibre has been clarified. Heat losses through the wall with due regard for the influence of the external corner have been defined. It is established that additional heat losses in the corner premises increase with the increase in the thickness of walls and decrease in the room space.

Keywords: walls, external corner, temperature, resistance to heat transfer, heat losses.

Проектирование и монтаж наружных ограждающих конструкций в соответствии с требованиями нормативных документов являются одной из приоритетных задач для строителей, особенно в условиях Крайнего Севера. Методы теплотехнического расчета подвергаются постоянному усовершенствованию. В СП 50.13330.2012 «Актуализированная редакция СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» предписано, что приведенное сопротивление ограждающей конструкции - Я^, м2 оС/Вт рассчитывается с использованием результатов расчетов температурных полей. После определения приведенного сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции устанавливаются трансмиссионные теплопотери. В СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий» приведена методика расчета удельной характеристики расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию в целом всего здания. В актуализированной редакции норм проектирования СП 60.13330.2012 не приведена методика расчета тепловых потерь. При выборе мощности отопительных приборов, особенно в угловых помещениях, а также при дискретном размещении оконных проемов по фасаду здания требуется определение тепловых потерь производить отдельно для каждого типа помещений. О необходимости расчета трансмиссионных тепловых потерь для каждого помещения отмечено в статье [1], что особенно важно для угловых помещений. В [1] предлагается изъять поправочные коэффициенты, с помощью которых учитывались до-

14| -

бавочные теплопотери. Подчеркивается, что поправки на помещения, имеющие два и более наружных ограждения, не требуется, поскольку в ходе расчета точно учитываются линейные теплопроводные включения - угловые стыки наружных ограждений. Рекомендации по определению добавочных теплопотерь были приведены в утративших силу нормах проектирования СНиП 2.04.05-91* «Отопление, вентиляция и кондиционирование». Для угловых помещений добавочные тепловые потери составляли 13%. В статье о новом издании руководства АВОК [2] приведены коэффициенты для определения дополнительного теплопотребления системы отопления всего здания, но не отражена необходимость специального учета добавочных теплопотерь в угловых помещениях при выборе мощности отопительных приборов в них. Максимальное значение коэффициента Д = 1,13. В одном из источников [3] рекомендуется дополнительные потери тепла через угол (высотой 1 м) по сравнению с теплопотерями через одномерную стену определять по формуле:

ле„г=2А(*в-ос/;г-1), (1)

где Л - коэффициент теплопроводности, м оС/Вт; - соответственно температуры внутреннего и наружного воздуха, оС; /¡я - фактор формы для наружного угла, определенный для ширины в два калибра по внутренней поверхности ограждения, равный 1,18.

^^^^^^^^^^^^^ 82015

Научно-технический и производственный журнал

Heat protection of buildings

Таблица 1

Результаты расчетов по выявлению влияния наружного угла на температурный режим стен при их различной толщине, но при R0=const

Толщина ограждающей конструкции 6, м Коэффициент теплопроводности X, Вт/(м оС) Сопротивление теплопередаче стены вне влияния угла Я0, м°С/Вт Сопротивление теплопередаче участка стены в зоне влияния угла Я0, м°С/Вт Температура внутренней поверхности ограждения в углу т,°С Расстояние от угла (по внутренней поверхности) до начала появления одномерного температурного поля, м

0,2 0,04 5,158 4,644 15,597 0,49

0,45 0,09 5,158 4,645 15,299 1,1

0,6 0,12 5,158 4,643 15,24 1,46

Автор [3] считает, что при рассмотрении влияния углов «...необходимо учитывать участок ограждения шириной в два калибра». Один калибр равен толщине однородной стены.

После повышения требований к энергосбережению значительно изменился состав материалов в ограждающих конструкциях, сопротивление теплопередаче возросло в несколько раз. Изменилась ли при этом доля дополнительных теплопотерь за счет влияния углов наружных стен?

Расчеты проведены с использованием программы расчета двухмерных температурных полей «SHADDAN 2D» (свидетельство № 2012618915 о государственной регистрации программы для ЭВМ). Температура внутреннего воздуха принята равной tg =21 °С, а наружного воздуха -= -52 °С. Рассмотрены угловые стыки однородных моделей ограждений, имеющих разную толщину, но не изменено значение сопротивления теплопередаче. При расчетах для получения более точных результатов принят шаг сетки 0,01м. Возможности программы «SHADDAN 2D» позволили провести расчеты и при числе шагов в обе стороны от наружного угла, равном 207. Исходные и полученные данные приведены в табл. 1. Температура внутренней поверхности ограждения в углу при различных вариантах толщины стены максимально отличается всего на 0,36°С (табл.1). Это практически подтверждает заключение автора [4], что разность Тв —Ту зависит не от толщины стены, а только от величины ее термического сопротивления. Приведенное сопротивление теплопередаче участка стены в зоне влия-

1,м

ния угла также имеет постоянное значение (если рассматривать участок от угла стен до узла (линии) стабилизации температуры, т. е. до начала формирования одномерного температурного поля). На величину теплопотерь через стены влияет длина влияния углов, т. е. расстояние от угла до узла (линии) стабилизации температурного поля.

В предыдущих публикациях [3, 5-8] в основном рассматривались вопросы формирования температур в углах наружных ограждений. Исследование процессов теплообмена в зоне угла наружных стен проведено авторами [9], но дополнительные теплопотери из-за влияния стыка конструкций отнесены к тепловым потерям всего здания, соответственно занимают незначительную долю от них. Влияние угла стен, в первую очередь необходимо учитывать именно при выборе мощности отопительных приборов в угловых помещениях.

В данной работе проведен анализ степени влияния двухмерного угла не только на температурное поле, но и на теплопотери через стены. Расчеты показали, что при различных толщинах стен, но при R0 =const расстояние до зоны стабилизации температурного поля отличается (табл. 1 и рис. 1). Например, при толщине ограждения 0,2 м температура стабилизируется (с точностью до 0,001) на расстоянии 0,49 м от внутреннего угла, а при толщине 0,45 м эта величина выросла до 1,1 м. При толщине стены 0,6 м двухмерное температурное поле наблюдается вплоть до расстояния 1,46 м от угла. Участок влияния угла превышает отмеченные два калибра [3] и составляет от 2,43 до 2,45 толщины однородного ограждения.

Определены тепловые потери через наружные стены помещения, имеющего размеры в плане 6x3 и высоту 3 м по формуле, приведенной в СНиП 2.04.05-91*, но без учета добавочных теплопотерь:

Q = {te-tH)FIR0.

(2)

8,м

Рис. 1. Зависимость расстояния от внутреннего угла наружных стен до начала стабилизации температурного поля от толщины ограждающей конструкции

При игнорировании воздействия угла теплопотери составляют 382,125 Вт. Расчет с использованием программы двухмерных температурных полей в первом варианте толщины стены выдает 15,406 Вт тепловых потерь через равные участки двух стен. Общая протяженность участков по внутренней поверхности стены 0,98 м, а высота равна одному погонному метру. Теплопотери через участки стен, примыкающих к углу, составляют 15,406x3=46,218 Вт. Если расчет производится с учетом влияния угла, то по формуле (1) вычисляются теплопотери только через часть стен. При площади 8,02x3 м они равны 340,516 Вт. Тепловые потери с учетом влияния угла равны 46,218+340,516=386,734 Вт. Дополнительные теплопотери из-за влияния угла: А 0=4,609 Вт, что составляет 1,19% от расчетных.

Дополнительные теплопотери по формуле (1): 6;<г=2х0,04(21-(-52))х(1,18-1)х3=3,154 Вт. Результаты расче-

Тепловая защита зданий

------ЖИЛИЩНОЕ ---

СТРОИТЕЛЬСТВО

Научно-технический и производственный журнал

Таблица 2

Теплопотери через наружные стены размерами 6x3 м и 3x3 м с учетом влияния их углового стыка

Толщина стены,м Коэффициент теплопроводности материала стены, Вт/(моС) Теплопотери без учета влияния угла, Вт Теплопотери на участке стен, примыкающих к углу, Вт Расчетные теплопотери с учетом влияния угла, Вт Дополнительные теплопотери из-за влияния угла в % от расчетных

0,2 0,04 382,125 46,218 386,734 1,19

0,45 0,09 382,125 103,719 392,436 2,63

0,6 0,12 382,125 137,718 395,865 3,47

тов по формуле (1) получаются ниже расчетных на 31,57%. При толщине стены 0,6 м погрешность снижается до 10,54%.

В табл. 2 приведены значения приведенных сопротивлений теплопередаче участков стен, примыкающих к углу, а также теплопотерь, в том числе и дополнительных.

Следует отметить, что расчеты проведены с условием того, что на рассмотренных расстояниях от внутреннего угла, например до 1,46 м при толщине стены 0,6 м, на обеих стенах наблюдается идентичное температурное поле.

Кроме моделей угловых соединений однородных стен рассмотрены и углы реально возводимых типов наружных стен. На рис. 2 приведен эскиз угла стен с вентилируемым фасадом многоэтажного каркасного здания с железобетонной колонной, размещенной в углу (вариант 1).

При возведении малоэтажных зданий колонна не предусматривается (вариант 2). Приведенное сопротивление теплопередаче без учета влияния угла и кронштейнов равно 5,236 м2оС/Вт. Следует отметить, что в статье проведен только анализ влияния углов на теплопотери. Для определения расчетной величины К"? необходимо дополнительно учесть влияние кронштейнов как точечных неоднородностей, а также оконных откосов при наличии окон и применять элементный подход [10]. Без учета влияния углов и кронштейнов теплопотери через наружные стены помещения площадью 6x3 м и высотой 3 м составили бы 376,432 Вт. Тепловые потери в зоне влияния угла, вычисленные с помощью программы расчета, равны 50,514 (47,657) Вт (результаты расчетов по варианту 2 приведены в скобках). При высоте стены 3 м они составят 50,514x3=151,542 (142,971) Вт. Теплопотери с учетом влияния угла - 396,641 (395,599) Вт. Длина стен с одномерным температурным полем равна 5,86 (6,04) м. Дополнительные теплопотери составляют 5,10 (4,85)% от расчетных. При размере помещения 4x3 м дополнительные тепловые потери достигают 6,46 (6,14)%. Проведенные расчеты показывают, что дополнительные тепловые потери в угловых помещениях не выходят за рамки ранее принимаемых величин, но требуют, как отмечено в статье [1], определения при проведении расчетов. К потерям тепла через ограждающие конструкции с учетом влияния их углов следует добавить дополнительные теплопотери через участки стен за радиаторами [2]. Чтобы исключить разночтения у проектировщиков в приложении Е СП 50.13330.2012 было бы целесообразно отметить, что к линейным неоднородностям, как изложено в статье [1], относятся и двухмерные углы наружных ограждений. Следовало бы отразить и необходимость учета пространственных углов наружных ограждений и оконных откосов.

Расчеты показывают, что с увеличением толщины ограждения и уменьшением площади помещения возрастают дополнительные теплопотери из-за влияния углов наружных стен, которые следует учитывать при выборе мощности отопительных приборов в угловых помещениях. Для

Рис. 2. Эскиз угла наружных стен с вентилируемым фасадом многоэтажного каркасного здания

снижения дополнительных тепловых потерь через угловые стыки наружных стен, как и через оконные откосы, следует стремиться к уменьшению толщины ограждающих конструкций путем применения эффективных теплоизоляционных материалов.

Список литературы

1. Гагарин В.Г., Неклюдов А.Ю. Учет теплотехнических не-однородностей ограждений при определении тепловой нагрузки на систему отопления здания // Жилищное строительство. 2014. № 6. С. 3-7.

2. Ливчак В.И. Расчет теплопотребления эксплуатируемых жилых зданий - основа энергосбережения. Новое руководство АВОК // АВОК. 2005. № 7. С. 4-8.

3. Богословский В.Н. Строительная теплофизика (тепло-физические основы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха). М.: Высшая школа,1982. 415 с.

4. Фокин К.Ф. Строительная теплотехника ограждающих частей зданий. М.: АВОК-ПРЕСС. 2006.149 с.

5. Самарин О.Д. К вопросу об определении температуры в наружном углу здания // Строительная физика в XXI веке: Материалы научно-технической конференции. М.: НИИСФ РААСН, 2006. С. 104-107.

6. Данилов Н.Д., Шадрин В.Ю., Павлов Н.Н. Прогнозирование температурного режима угловых соединений наружных ограждающих конструкций // Промышленное и гражданское строительство. 2010. № 4. С. 20-2.1

7. Данилов Н.Д., Федотов П.А. Теплоэффективное решение углового соединения цокольного перекрытия и стены монолитных зданий с холодными подпольями // Жилищное строительство. 2012. № 2. С. 1-2.

16

82015

Научно-технический и производственный журнал

-------ЖИЛИЩНОЕ ---

СТРОИТЕЛЬСТВО

Heat protection of buildings

8. Самарин О.С. Оценка минимального значения температуры в наружном углу здания при его скруглении // Промышленное и гражданское строительство. 2014. № 8. С. 34-36.

9. Степанов В.С., Поспелова И.Ю. Исследование процессов теплообмена в зоне наружного стыка ограждающих конструкций // Известия вузов. Строительство. 2003. № 2. С. 82-86.

10. Гагарин В.Г., Козлов В.В. Теоретические предпосылки расчета приведенного сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций // Строительные материалы. 2010. № 12. С. 4-12.

References

1. Gagarin V.G., Neklyudov A.Yu. The account heattechnical a neobottom-rodnostey of protections when determining thermal load of system of heating of the building. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2014. No. 6, pp. 3-7. (In Russian).

2. Livchak V.I. Calculation of heatconsumption of the operated residential buildings - an energy saving basis. New management of AVOK // AVOK. 2005. No. 7, pp. 4-8. (In Russian).

3. Theological V.N. Stroitel'naya teplofizika (teplofizicheskie osnovy otopleniya, ventilyatsii i konditsionirovaniya vozdukha) [Construction thermophysics (teplofiziche-sky bases of heating, ventilation and air conditioning)]. Moscow: Vysshaya shkola, 1982. 415 p.

4. Fokin K.F. Stroitel'naya teplotekhnika ograzhdayushchikh chastei zdanii [Stroitelnaya of the heating engineer of the protecting parts of buildings]. Moscow: AVOK-PRESS. 2006. 149 p.

5. Samarin O.D. To a question of determination of temperature in an external corner of the building. Construction physics in the XXI century: Materials of scientific and technical conference. Moscow: NIISF RAASN, 2006. P. 104-107. (In Russian).

6. Danilov N.D., Shadrin V.Yu., Pavlov N.N. Forecasting of temperature condition of angular connections of the external protecting designs. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo. 2010. No. 4, pp. 20-21. (In Russian).

7. Danilov N.D., Fedotov P.A. The heateffective solution of angular connection of socle overlapping and a wall of monolithic buildings with cold undergrounds. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2012. No. 2, pp. 1-2. (In Russian).

8. Samarin O.S. Otsenka of the minimum value of temperature in an external corner of the building at its rounding off. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo. 2014. No. 8, pp. 34-36. (In Russian).

9. Stepanov V.S., Pospelova I.Yu. Research of processes of heat exchange in a zone of an external joint of the protecting designs. Izvestiya vuzov. Stroitel'stvo. 2003. No. 2, pp. 82-86. (In Russian).

10. Gagarin V.G., Kozlov V.V. Theoretical prerequisites of calculation of the specified resistance to a heat transfer of the protecting designs. Stroitel'nye Materialy [Construction materials]. 2010. No. 12, pp. 4-12. (In Russian).

ВИНТОВЫЕ ГРУНТОВЫЕ АНКЕРА

#v Г #V #v

AIA A #\ i / \j\

■ ПРОИЗВОДСТВО В РОССИИ • В НАЛИЧИИ НА СКЛАДЕ

■ ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ УСТАНОВКИ - ПЕРЕСОГЛАСОВАНИЕ ПРОЕКТОВ

f135} 226-1В-Э7 (342) 20Û-73-D0

i nf О ù и j n kûr - t y it s: ni. ru w w w nkc r -sy stem. ru

% A АНКЕРНЫЕ СИСТЕМЫ

Реклама