CC BY
1105.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий (технические науки) DOI: 10.257127ASTU.2072-8921.2019.02.022 УДК 66.021.3, 66.021.4
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛО- И ВЛАГООБМЕНА В ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ ПАНЕЛЯХ
М. И. Низовцев, В. Ю. Бородулин, В. Н. Летушко, А. Н. Стерлягов
В статье представлены результаты экспериментального исследования процессов тепло- и влагообмена в теплоизоляционной панели с вентилируемыми каналами, выполненного при различных тепловлажностных условиях. Приведены полученные данные по распределению температуры и относительной влажности воздуха в слое утеплителя теплоизоляционной панели и в вентилируемых воздушных каналах при различных влажностях внутреннего воздуха в холодный период года. Установлено, что с увеличением влажности внутреннего воздуха происходило увеличение относительной влажности воздуха в слое утеплителя панели. Однако даже при высокой влажности внутреннего воздуха около 70 % относительная влажность воздуха в утеплителе не превышала 50 %, что обеспечивало панели высокие теплозащитные свойства. В холодный период года при ясной погоде днем за счет солнечного излучения наблюдался нагрев наружного металлического слоя панели, в результате повышалась температура воздуха в каналах и в наружных слоях утеплителя. В вентилируемых каналах панели зафиксирована температурная стратификация 8 °С +10 °С по высоте, которая должна приводить к возникновению свободноконвективных подъемных течений в каналах и интенсификации процессов удаления влаги из утеплителя.
Ключевые слова: процессы тепло- и влагообмена, экспериментальные исследования, датчики влажности и температуры, относительная влажность воздуха, парциальное давление, воздушный поток, теплоизоляционная панель.
ВВЕДЕНИЕ
Исследование процессов тепло- и влагообмена в пористых материалах является актуальной научной проблемой и имеет широкую область практических приложений: химические технологии, строительство и т. д. В работах отечественных и зарубежных ученых [1, 2] отмечена эффективность применения вентилируемых воздушных прослоек для интенсификации процессов влагообмена в пористых теплоизоляционных материалах. В последнее время фасадные системы с вентилируемым воздушным зазором получили широкое распространение [3-6], что стимулировало развитие расчетных методов в области численного моделирования таких систем [7-12]. Учитывая многообразие расчетных работ, принципиальным вопросом является верификация численных решений. Поэтому большое значение приобретают экспериментальные исследования процессов теп-ломассопереноса в вентилируемых прослойках, которые позволяют верифицировать и оптимизировать расчетные методики.
Данная работа является продолжением цикла исследований процессов тепло- и вла-гопереноса теплоизоляционных панелях с вентилируемыми каналами.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Для проведения экспериментальных исследований процессов тепло- и влагообмена в натурных условиях был использован участок теплоизоляционной панели с вертикальными вентилируемыми каналами высотой 1090 мм и шириной 694 мм с теплоизоляционным слоем из минеральной ваты плотностью 90 кг/м3 толщиной 160 мм. На внутренней стороне панели со стороны теплоизоляционного слоя был закреплен слой экструзионного пенополистирола толщиной 20 мм, который моделировал тепловлажностные свойства конструкционного слоя стены. Коэффициент теплопроводности равен 0,034Вт/м К, а коэффициент паропроницаемости - 0,014 мг/м ч Па. Таким образом, слой экструзионного пенополистирола толщиной 20 мм согласно [12] соответствует по термическому сопротивлению кирпичной кладке толщиной 400 мм (0,58м2 К/Вт) и имеет в 2 с лишним раза более низкое сопротивление паропроницания (1,43Вт/ч Па мг) по сравнению с ней. Внутри слоя минеральной ваты панели и в вентилируемом воздушном канале панели были установлены датчики автономного регистратора температуры и относительной влажности воздуха «Ес1егк-иЗВ-ИНТ-1». Датчики позволяли измерять температуру с абсолютной погрешностью ±1,0 °С и относительную влажность с погрешностью ± 2,0 %. Схема расположения датчиков приведена на рисунке!
Рисунок 1 - Схема установки датчиков в панели для проведения натурных экспериментов
В одном из центральных воздушных каналов было установлено 5 датчиков с № 1-5 (сверху в низ), в минеральной вате по толщине располагалось 4 датчика с № 7-10 (от внутренней поверхности к наружной). Кроме того, датчик № 6 регистрировал параметры внутреннего воздуха, а датчик № 11 - параметры наружного воздуха.
Измерения температуры и относительной влажности проводились каждым из датчиков с интервалом между измерениями 1 минута и фиксировались в его блоке памяти. Данные из блоков памяти датчиков периодически снимались на персональный компьютер для последующей обработки.
Панель с датчиками устанавливалась вместо одного из фрагментов наружного окна западного фасада двухэтажного здания лабораторного корпуса (рисунок 2) так, что верх и низ вентиляционных каналов выходил на улицу, и наружный поток воздуха мог свободно входить и выходить в вентилируемые каналы панели. Таким образом, моделировалась работа теплоизоляционной панели на наружной стене западного фасада здания в климатических условиях г. Новосибирска.
Цель этой серии экспериментов заключалась в наблюдении за тепловлажностным состоянием слоя минераловатной теплоизоляции панели и эффективностью ее вентилирования наружным воздухом через специальные каналы. Были проведены эксперименты в холодный период года при высокой и низкой влажности внутреннего воздуха.
а)
б)
а) вид с фасада здания; б) вид со стороны помещения
Рисунок 2 - Фото установленного образца панели с вентилируемыми каналами на наружное ограждение
РЕЗУЛЬТАТЫ НАТУРНЫХ ТЕПЛОВЛАЖНОСТНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
В марте 2018 г. проводились эксперименты при характерной для этого периода низкой влажности внутреннего воздуха. В качестве периода устойчивых погодных условий с ясным небом для анализа был выбран двухсуточный интервал с 0 часов 17 марта
(режим 1). В апреле 2018 г. были проведены эксперименты при повышенной влажности внутреннего воздуха, которая поддерживалась в помещении ультразвуковым увлажнителем воздуха. Для анализа в качестве периода устойчивых погодных условий с ясным небом в этих экспериментах был выбран двухсуточный интервал с 0 часов 5 апреля (режим 2).
б)
а) режим 1; б) режим 2 Рисунок 3 - Параметры наружного воздуха
Оба выбранных интервала наблюдений при безоблачном небе сопровождались понижением температуры воздуха в ночное время (для 1 режима до -20 °С, а для 2 режима до -10 °С) и повышением на 10 -15 °С в дневное время (рисунок 3). При повышении температуры наружного воздуха происходило понижение его относительной влажности с 70- 80 % ночью до 15-20 % днем.
Для 1 режима при низкой естественной средней относительной влажности внутреннего воздуха 8 % его средняя температура составляла 27 °С (рисунок 4, а). Для 2 режима при высокой средней влажности внутреннего воздуха 69 % его средняя температура была 25 °С (рисунок 4, б).
б)
а) режим 1; б) режим 2 Рисунок 4 - Параметры внутреннего воздуха
Изменение температуры в различных сечениях минеральной ваты панели показаны на рисунке 5, номера на рисунке здесь и далее соответствуют положению установки датчиков на рисунке 1. Согласно результатам наблюдений, изменение температуры внутри минеральной ваты панели для обоих режимов носило циклический характер с повышением температуры в дневное время и снижением в ночное, при этом температура внутри слоя минеральной ваты в каждый момент времени повышалась от наружной поверхности к внутренней. Следует отметить, существенно большее изменение температуры в дневное время наружного слоя минеральной ваты по сравнению с изменением температуры наружного воздуха, что связано с нагревом солнечной радиацией в дневное время при ясной погоде наружного металлического слоя панели и прилегающего к нему слоя минеральной ваты.
О 6 12 18 24 30 36 42 48 54
а)
0 6 12 18 24 30 36 42 48 54
б)
а) режим 1; б) режим 2
Рисунок 5 - Распределение температуры по толщине минеральной ваты панели. Расположение датчиков 7-10 от внутренней поверхности
На рисунке 6 приведены результаты измерений изменения с течением времени температуры воздуха по высоте вентилируемого канала. В дневное время с 15 до 18 часов за счет нагрева солнцем наружного металлического слоя панели в воздушных каналах наблюдалось существенное повышение температуры на 12-20 °С выше температуры наружного воздуха, при этом внутри канала зафиксирована стратификация температуры воздуха с повышением снизу в верх на 810 °С. Такой перепад температуры по высоте канала должен приводить к наличию свобод-ноконвективного воздушного потока в канале. В ночное время при безоблачном небе за счет наружного лучистого теплообмена температура воздуха в вентилируемом канале была на несколько градусов ниже, чем температура воздуха на улице, что может приводить к опускному течению в канале, но оно, по-видимому, значительно менее интенсивно, чем подъемное течение в дневное время из-за меньших температурных перепадов.
0 6 12 18 24 30 36 42 48 54
а)
0 6 12 18 24 30 36 42 48 54
б)
а) режим 1 ; б) режим 2
Рисунок 6 - Изменение температуры внутри вентилируемого канала.
Расположение датчиков в канале 1 -5 сверху вниз
Днем из-за значительного повышения температуры воздуха в вентилируемом канале наблюдалось снижение его относительной влажности (рисунок 7). По измеренной температуре и относительной влажности определены парциальные давления водяного пара в вентилируемом канале, в минеральной вате и внутреннем воздухе помещения для обоих режимов (рисунок 8). Для наглядности на рисунке приведены парциальные давления, по показаниям краевых датчиков вентилируемого канала (5 - низ, 1 - верх) и минеральной ваты панели (7 - внутренний слой, 10 - наружный слой). Изменения парциальных давлений, полученные по промежуточным датчикам, располагались между значениями для краевых датчиков и на рисунке не показаны. Парциальные давления водяного пара большую часть времени наблюдений для 1 режима и все время для 2 режима превышали парциальное давление водяного па-
ра в минеральной вате и вентилируемом канале, что свидетельствовало о преимущественном движении водяного пара из помещения через панель наружу.
О 6 12 18 24 30 36 42 48 54
I час
--1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-р-г1
0 6 12 18 24 30 36 42 48 54
б)
а) режим 1; б) режим 2
Рисунок 7 - Относительная влажность воздуха в вентилируемом канале
Для анализа интенсивности движения водяного пара в каждые сутки можно выделить две области: I - ночную и II - дневную (на рисунке они показаны для первых суток). Область I характеризуется либо отсутствием, либо относительно невысоким перепадом парциального давления пара между минеральной ватой и вентилируемым каналом, что проявляется в низкой интенсивности потока пара из минеральной ваты. Область II отражает повышение температуры наружных слоев минеральной ваты, которое сопровождается более быстрым ростом в них давления водяного пара по сравнению с увеличением парциального давления в вентилируемом канале, в результате происходит более интенсивный выход водяного пара в венти-
лируемый канал. В то же время уменьшается поток пара из помещения в минеральную вату. Таким образом, в области II наблюдалось интенсивное удаление влаги из минеральной ваты панели.
0 6 12 18 24 30 36 42 48 54
а)
/Г А,
щ I 4 п V
• г. V
--1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-г1
0 6 12 18 24 30 36 42 48 54
1,час
б)
а) режим 1; б) режим 2
Рисунок 8 - Парциальное давление пара в утеплителе, в вентилируемом канале и внутреннем воздухе
На рисунке 9 показаны результаты измерения относительной влажности воздуха на улице и в различных сечениях по толщине минеральной ваты теплоизоляционной панели. Согласно результатам измерений, относительная влажность воздуха в минеральной вате панели увеличивалась в направлении наружной стороны и колебалась в течение суток. С увеличением влажности внутреннего воздуха происходило увеличение относительной влажности воздуха в утеплителе панели. Однако даже при высокой влажности внутреннего воздуха около 70 % (рисунок 9, б) относительная влажность воздуха в утеплителе не превышала 50 %, что обеспечивало панели высокие теплозащитные свойства.
а)
б)
а) режим 1; б) режим 2
Рисунок 9 - Относительная влажность воздуха в утеплителе панели
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате проведения натурных исследований тепловлажностных процессов в теплоизоляционных панелях с вентилируемыми каналами в холодный период года установлено, что с увеличением влажности внутреннего воздуха происходило увеличение относительной влажности воздуха в утеплителе панели. Однако даже при высокой влажности внутреннего воздуха около 70 % относительная влажность воздуха в утеплителе не превышала 50 %.
В холодный период года при ясной погоде днем за счет солнечного излучения наблюдался нагрев наружного металлического слоя панели, в результате повышалась температура воздуха в каналах и в наружных слоях утеплителя. В вентилируемых каналах панели фиксировалась температурная стратификация в 8-10 °С по высоте, которая должна приводить к возникновению свобод-ноконвективных подъемных течений в каналах и интенсификации процессов удаления влаги из утеплителя.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 16-48-700367 р_а). Экспериментальная установка собрана за счет средств госбюджета.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Богословский, В.Н. Строительная теплофизика /
B.Н. Богословский. - М. : «Высшая школа». - 1982. - 415 с.
2. Sparrow, E.M. Azevedo L.F.A. Vertical channel natural convection spanning between fully-developed limit and the single-plate boundary-layer limit / E.M. Sparrow // Int. Journal Heat Mass Transfer. 1985. Vol. 28. Issue 10. -P. 1847-1857.
3. Гагарин, В.Г. Расчет теплозащиты фасадов с вентилируемым воздушным зазором / В.Г. Гагарин, В.В. Козлов, Е.Ю. Цыкановский. - 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. Умнякова, Н.П. Элементы навесных вентилируемых фасадов, определяющие их теплозащитные качества / Н.П. Умнякова // Academia. Архитектура и строительство, 2009. - № 5. - С. 372-380.
6. Туснина, О.А. Теплотехнические свойства различных конструктивных систем навесных вентилируемых фасадов / О.А. Туснина, А.А. Емельянов, В.М. Туснина // Инженерно-строительный журнал, 2013. - № 8(43). - С. 54-63.
7. Suareza, C. Heat transfer and mass flow correlations for ventilated facades / C. Suareza et al. // Energy and Buildings. - Vol. 43. - 2011. - P 3696-3703.
8. Lau, G.E. Numerical investigation of passive cooling in open vertical channels / G.E. Lau et al. // Applied Thermal Engineering, 2012. - Vol.39. - P. 121-131.
9. Vatin, N.I. The Energy-Efficient Heat Insulation Thickness for Systems of Hinged Ventilated Fasades / N.I. Vatin et al. // Advanced Materials Research, 2014. - № 941-944. -P. 905-920.
10. 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. Ster-lygov // Energy and Buildings. - 2014. - № 75. - P. 60-69.
11. Бородулин, В.Ю. Экспериментальное исследование влагопереноса в теплоизоляционной панели с вентилируемыми каналами / В.Ю. Бородулин, В.Н. Ле-тушко, М.И. Низовцев, А.Н. Стерлягов // Ползуновский вестник, 2017. - № 4. - С. 118-122.
12. СП 50.13330.2012 Тепловая защита зданий (актуализированная редакция СНиП 23-02-2003).
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: [email protected]
Бородулин Владимир Юрьевич, ведущий инженер Института теплофизики им.
C.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]
