CC BY
19УДК 692.23, 699.86
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛАГОПЕРЕНОСА В ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННОЙ ПАНЕЛИ С ВЕНТИЛИРУЕМЫМИ КАНАЛАМИ
М.И. Низовцев, В.Ю. Бородулин, В.Н. Летушко, А.Н. Стерлягов
Приведено описание экспериментальной установки и измерительного оборудования. Представлены результаты экспериментальных лабораторных исследований процесса влагопе-реноса в фасадной теплоизоляционной панели с вентилируемыми каналами при различных тепло-влажностных условиях. Выполненные экспериментальные исследования процесса влагопереноса через теплоизоляционную панель с вентилируемыми каналами показали, что при открытых каналах за счет перепада парциальных давлений водяного пара внутреннего воздуха и воздуха в каналах возникало течение, которое приводило к снижению влажности теплоизоляционного материала панели. В результате выполненных экспериментов получены распределения относительной влажности воздуха внутри панели и в вентилируемых каналах при изменении скорости воздуха в них от 0 до 0,4 м/с. Показано, что увеличение скорости вентилирования приводило к снижению средней влажности воздуха в вентилируемых каналах и росту интенсивности влагоудаления из теплоизоляционного слоя панели при неизменной влажности внутреннего и наружного воздуха. При скоростях воздуха более 0.1 м/с, которые соответствуют реальным скоростям воздуха в вентилируемых каналах фасадной системы, наблюдалась значительная интенсификация удаления влаги из панели за счет снижения средней влажности воздуха в вентиляционных каналах.
Ключевые слова: фасадная система, теплоизоляционная панель, вентилируемый канал, лабораторный эксперимент, датчики влажности и температуры, влагоперенос, относительная влажность воздуха, парциальное давление, воздушный поток, скорость воздуха.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время при возведении новых и реконструкции существующих зданий активно применяются различные фасадные системы с использованием эффективных утеплителей. Одной из наиболее распространённых является система с вентилируемым воздушным зазором (вентилируемый фасад). Система вентилируемого фасада, как правило, включает слой утеплителя, для увеличения сопротивления теплопередаче наружных стен и уменьшения расхода тепла на отопление в холодный период года и вентилируемый зазор, для поддержания утеплителя в относительно сухом состоянии, так как его теплотехнические характеристики в значительной степени определяются влажност-ным состоянием [1, 2].
При монтаже навесной системы вентилируемого фасада на стене здания в первую очередь производится установка подсистемы, состоящей из направляющих и металлических элементов крепления, а затем на стене здания закрепляется слой теплоизоляционного материала. В результате большинству систем навесных вентилируемых фасадов характерна существенная теплотехническая 118
неоднородность, обусловленная металлическими элементами, проходящими через теплоизоляционный слой [3, 4].
При установке систем вентилируемого фасада на стене здания основные операции по монтажу выполняются на строительной площадке, что осложняет контроль качества монтажных работ, а также увеличивает время их выполнения.
Для повышения теплотехнической однородности фасадной системы и уменьшения количества операций на строительной площадке была разработана новая фасадная система утепления зданий [5]. Основу данной фасадной системы составляют теплоизоляционные панели с вентилируемыми каналами. С наружной стороны панели расположена облицовка, представляющая собой тонкий слой металла с декоративным покрытием. Облицовка наклеивается на слой минерального утеплителя, который имеет продольные вентилируемые каналы. В Институте теплофизики СО РАН была выполнена серия тепловых и влажностных расчетов для стен различных жилых зданий при утеплении их данной фасадной системой [6, 7]. Выполненные расчеты позволили определить оптимальные геометрические размеры вентилируемых ка-ПОЛЗУНОВСКИЙ ВЕСТНИК № 4 2017
налов, которые обеспечивают удаление влаги из утеплителя.
Численному исследованию газодинамики и тепло-влажностного режима вентилируемых каналов посвящен ряд работ [8-11]. В тоже время, верификация предлагаемых расчетных методик требует надежных экспериментальных исследований, результаты таких работ практически не представлены в литературе. Таким образом, на данный момент весьма актуально проведение экспериментальных исследований тепло-влажностного режима в различных вентилируемых фасадах. Данная работа является началом цикла экспериментальных исследований влагопе-реноса в новой фасадной системе утепления зданий на основе панелей с вентилируемыми каналами.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Для проведения исследований тепло-влажностного режима панелей с вентилируемыми каналами была собрана экспериментальная установка. Схема экспериментальной установки приведена на рис.1.
Рисунок 1 - Схема экспериментальной установки: 1 - влажностная камера, 2 - панель с каналами, 3 - ультразвуковой увлажнитель,4 - воздушный насос, 5 - датчики, 6 -персональный компьютер
Экспериментальная установка состоит из влажностной камеры, одна боковая сторона которой открыта. К открытой стороне камеры сбоку герметично закреплена теплоизоляционная панель, так, что поверхность утеплителя направлена внутрь камеры, а вентилируемые каналы располагаются вер-
тикально. Общая толщина слоя минерало-ватного утеплителя плотностью 90 кг/м3 в исследуемой фасадной панели составляла 80мм. При этом располагаемые с наружной стороны за тонким металлическим слоем вентилируемые каналы имели поперечное сечение 20*40 мм, и расстоянием между каналами составляло 65 мм. Общая ширина теплоизоляционной фасадной панели была 335 мм, а высота h =1000 мм.
Во влажностной камере с помощью ультразвукового увлажнителя поддерживались заданная температура и влажность воздуха. Во время эксперимента воздух, поступающий от насоса, подводился к вентилируемым каналам панели снизу. Таким образом, в каналах панели формировался воздушный поток. При этом имелась возможность регулировки расхода воздуха и соответственно изменения скорости движения воздуха в каналах в диапазоне от 0 до 0,4 м/с.
Внутри слоя минераловатного утеплителя панели, во влажностной камере и в вентилируемом канале были установлены датчики автономного регистратора температуры и относительной влажности Eclerk-USB-RHT-1. Датчики позволяли измерять температуру с абсолютной погрешностью ± 1,0 °С и относительную влажность с погрешностью ± 2,0 %. Вся информация с датчиков поступала на персональный компьютер. Схема расположения датчиков приведена на рис.2.
Рисунок 2 - Схема расположения датчиков
Датчики №1, №3, №4, №5 располагались в минераловатном утеплителе панели. Датчик №2 находился во влажностной камере на расстоянии 5 мм от теплоизоляции панели на высоте 480 мм. Датчик №6 перемещался по высоте центрального вентилируемого канала. Схема положений датчика №6, в которых проводились измерения, представлена на рис.3.
б
5
3
2
Рисунок 3 - Схема положений датчика №6
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
На созданной установке было проведено две серии экспериментов исследования теп-ло-влажностного режима панели с вентилируемыми каналами. Во всех экспериментах температура воздуха во влажностной камере, внутри панели и воздушных каналах была одинакова и составляла 30°С.
В первой серии экспериментов выяснялось влияние открытия воздушных каналов на влагоперенос через панель. Результаты измерений относительной влажности приведены на рис. 4 и рис.5.
a)
Рисунок 4 - Изменение относительной влажности по высоте воздушного канала: а) при закрытых воздушных каналах, б) при открытых воздушных каналах
Воздушные каналы всегда были открыты сверху, а снизу открыты или закрыты. При закрытых снизу каналах влажность воздуха в камере была 89%, в помещении - 45%. Относительная влажность воздуха в воздушном канале слабо изменялась по высоте канала, и в среднем составляла 82% (рис. 4.а). Канал практически не вентилировался. При открытии воздушных каналов наблюдалось падение относительной влажности воздуха в камере до 85% при неизменной производительности увлажнителя и общее снижение относительной влажности внутри канала с перераспределением по высоте от 57% внизу до 75% вверху (рис.4.б). Такое распределения относительной влажности в канале свидетельствовало о возникновении в канале течения в направлении снизу вверх.
Рисунок 5 - Изменение относительной влажности воздуха в поперечном сечении панели y/h = 0.5 (по линии 2 рис.6) при открытии каналов
Возникновение течения в канале приводило к изменению распределения относительной влажности в поперечном сечении панели при открытии каналов (рис.5).
При закрытых снизу воздушных каналах относительная влажность воздуха в камере и по толщине панели была одинакова, лишь незначительно падала в воздушном канале. При открытых воздушных каналах в поперечном сечении панели наблюдалось падение относительной влажности в направлении от камеры к воздушному каналу, что также свидетельствовало о наличии потока в воздушном канале снизу-вверх.
Во второй серии экспериментов исследовалось влияние скорости воздуха в воздушных каналах на изменение влажности, как в воздушных каналах, так и в панели. На рис.6. показано изменение распределения относительной влажности в горизонтальном сечении панели на высоте y/h = 0.5 вдоль линии 1 (центральная линия между воздушными каналами) и вдоль линии 2 (по центру воздушного канала) при скорости воздуха в каналах 0,2 м/с.
Рисунок 7 - Влияние скорости воздуха в воздушных каналах на изменение относительной влажности в поперечном сечении при y/h = 0.5 вдоль линий 2
При увеличении скорости воздуха в воздушных каналах его влажность на выходе из каналов снижалась (рис.8), в результате средняя влажность воздуха в каналах была ниже, это обеспечивало и снижение влажности внутри панели.
Рисунок 6 - Изменение распределения отно сительной влажности в горизонтальном сечении панели на высоте y/h = 0.5 вдоль линий 1 и 2
Рисунок 8 - Изменение влажности воздуха по высоте канала
Согласно результатам экспериментов, наблюдалось снижение относительной влажности по толщине панели от камеры к воздушному каналу, при этом напротив каналов снижение было большим, чем между ними.
С увеличением скорости воздуха в воздушных каналах в экспериментах рос перепад относительной влажности по толщине панели (рис.7), что свидетельствовало об интенсификации влагопереноса.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Выполненные экспериментальные исследования влагопереноса через теплоизоляционную панель с вентилируемыми каналами показали, что при открытых каналах за счет перепада парциальных давлений водяного пара внутреннего воздуха и воздуха в каналах возникало течение, которое приводило к снижению влажности теплоизоляционного материала панели.
При скоростях воздуха более 0.1 м/с, которые соответствуют реальным скоростям воздуха в вентилируемых каналах фасадной системы, наблюдалась значительная интенсификация удаления влаги из панели за счет снижения средней влажности воздуха в вентиляционных каналах. С ростом скорости воздуха в каналах от 0 м/с до 0,4 м/с происходило снижение влажности в утеплителе панелей при практически неизменной влажности внутреннего и наружного воздуха.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 16-48-700367 р_а).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Богословский В.Н. Строительная теплофизика. М.: «Высшая школа», - 1982. - 415 с.
2. Куприянов В.Н. Основные принципы конструирования наружных стен с ограничением конденсации в них парообразной влаги // Строительные материалы и технологии. - 2015. - №2(58). -С.120-127.
3. Гагарин В.Г. Расчет теплозащиты фасадов с вентилируемым воздушным зазором / В.Г. Гагарин, В.В. Козлов, Е.Ю. Цыкановский // АВОК. -2004. - №3. - С. 20-26.
4. Машенков А.Н. Определение коэффициента теплотехнической однородности навесных фасадных систем с воздушным зазором / А.Н. Машенков, Е.В. Чебурканова // Строительные материалы. - 2007. - №6. - С. 10-12.
5. Патент на полезную модель РФ № 94597 Стеновая панель для облицовки и утепления строительных сооружений / Белый В.Т.; заявитель и патентообладатель - заявл. № 2009148471 от 28.12.2009; опубл. 27.05.2010.
6. Низовцев М.И. Новая теплоизоляционная фасадная система зданий на основе панелей с вентилируемыми каналами / Низовцев М.И., Белый В.Т., Стерлягов А.Н. // Известия Вузов. Строительство. - 2015. - №10. - С. 25-32.
7. Nizovtsev M.I. The facade system with ventilated channels for thermal insulation of newly constructed and renovated buildings / M.I. Nizovtsev, V.T. Belyi, A.N. Sterlygov // Energy and Buildings. - 2014. - №75, - P 60-69.
8. Sparrow E.M. Azevedo L.F.A. Vertical channel natural convection spanning between fully-developed limit and the single-plate boundary-layer limit // Int. Journal Heat Mass Transfer. 1985. Vol. 28. Issue 10. P. 1847-1857.
9. Suareza C. et al. Heat transfer and mass flow correlations for ventilated facades // Energy and Buildings Vol. 43. 2011. P. 3696-3703.
10. Lau G.E., Yeoh G.H., Timchenko V., Reizes J.A. Numerical investigation of passive cooling in open vertical channels // Applied Thermal Engineering. 2012. Vol.39. P. 121-131.
11. Vatin N.I., Gorshkov A.S., Nemova D.V., Staritcyna A.A., Tarasova D.S. The Energy-Efficient Heat Insulation Thickness for Systems of Hinged Ventilated Fasades // Advanced Materials Research. 2014. No. 941 -944. P. 905-920.
Низовцев Михаил Иванович, доктор технических наук, зав. лаборатории проблем энергосбережения Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, Tel: +7(383) 316-53-36, e-mail: nizovtsev@itp. nsc.ru
Бородулин Владимир Юрьевич, ведущий инженер Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, Tel: +7(383) 31653-36, e-mail: [email protected]
Летушко Владимир Николаевич, ведущий инженер Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, Tel: +7(383) 316-53-36, e-mail: [email protected]
Стерлягов Алексей Николаевич, кандидат технических наук, старший научный сотрудник Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, Tel: +7(383) 31653-36, e-mail: [email protected]
