Результаты определения сопротивления теплопередаче наружных стеновых панелей

Г. П. Васильев, доктор технических наук, ГУП «НИИМосстрой»

В. А. Личман, кандидат «НИИМосстрой»

С. С. Голубев, аспирант ГБОУ ВПО МГСУ, otvet@abok.ru

Теплотехнические испытания

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

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.

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 R₀^пр = R₀^эксп · r, где R₀^эксп = (t_int – t_ext)/ /q^эксп – сопротивление теплопередаче в выбранной точке; t_int, t_ext и q^эксп – экспериментально измеренные температуры внутреннего и наружного воздуха, °C, и удельный тепловой поток, Вт/м². Коэффициент вычисляется как отношение объемов

или оценивается из соотношения r = (t_int – τ⁰_int) / (t_int – t_int^сред), где τ⁰_int – экспериментально измеренная температура на поверхности выбранной точки, в которой определено сопротивление теплопередаче R₀^эксп; τ_int(x, y) – массив экспериментально измеренных температур поверхности фрагмента панели и t_int^сред – 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».

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 ∑A_i⁽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 ∑A_j⁽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 ∑A_k⁽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 = ∑A_i⁽²⁾ + ∑A_j⁽¹⁾ + ∑A_k⁽⁰⁾.

Запишем формулы для вычисления приведенного сопротивления теплопередаче панели:

(1)

где – приведенная удельная плотность теплового потока, Вт/м²;
t_int, t_ext– расчетные температуры внутреннего и наружного воздуха, °C;
∆q_j^2D = (∆q_j^2D – q^усл) – величина дополнительных удельных тепловых потерь через линейную теплотехническую неоднородность j-вида, Вт/м²;
∆q_k^3D = (∆q_k^3D – q^усл) – величины дополнительных удельных тепловых потерь через точечную теплотехническую неоднородность k-вида, Вт/м².

Условный удельный тепловой поток q^усл, Вт/м² вычисляется из соотношения: q^усл = (t_int – t_ext)/R₀^усл. Сопротивление теплопередаче панели по «глади» R₀^усл, м²·°C/Вт – условное сопротивление теплопередаче, может быть вычислено, как уже отмечалось, аналитически:.

(2)

Удельный тепловой поток q_j^2D, Вт/м² определяется путем двухмерного компьютерного моделирования тепловых процессов для заданной конструкции. Удельный тепловой поток q_k^3D, Вт/м² определяется путем трехмерного компьютерного моделирования тепловых процессов для заданной конструкции.

Введем величины:
ψ_j = h_j (q_j^2D – q^усл)/(t_int – t_ext), Вт/м²·°C – удельные потери теплоты через j-ю линейную неоднородность и
χ_k = A_k⁽⁰⁾ (q_k^3D – q^усл)/(t_int – t_ext), Вт/°C – удельные потери теплоты через k-ю точечную неоднородность.

Пусть площадь линейного j-элемента ∑A_j⁽¹⁾ = L_j · h_j, где L_j – его протяженность; h_j – ширина. Тогда приведенное сопротивление теплопередаче панели R₀^пр, м²·°C/Вт, записанное в виде выражения (1), удобно представить в виде:

(3)

Коэффициент теплотехнической однородности панели r = q^усл/q^пр = R₀^пр/R₀^усл.

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 α_int = 8,7 Вт/м²·°C и температурой внутри помещения t_int = +20 °C, на внешней поверхности стены α_ext = 23 Вт/м²·°C и температурой окружающей среды t_ext = –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» λ_Б = 0,037 Вт/м²·°C; железобетона λ_Б = 2,04 Вт/м²·°C; металлических связей λ_Б = 58 Вт/м²·°C; утеплителя «Вилатерм» λ_Б = 0,06 Вт/м²·°C; цементно-песчаного раствора λ_Б = 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.

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 q_j^2D, 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 q^усл характеризуется постоянным значением, но в области горизонтального стыка панелей удельный тепловой поток возрастает, образуя дополнительные удельные тепловые потери ∆q_j^2D = (q_j^2D – q^усл). Результаты двухмерных расчетов сведены в табл. 2.

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 q₁^3D = 13,1 Вт/м²; величина χ₁ = 0,018, Вт/°C; радиус влияния одной связи r_св = 0,25 м.

В результате расчетов получено, что сопротивление теплопередаче панелей типа МН-7 с утеплителем «Неопор» равно R₀^пр = 3,63 (м²·°C)/Вт; сопротивление теплопередач по «глади» R₀^усл = 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».

Рисунок 4. Распределение удельных плотностей теплового потока q, Вт/м2 на внешней поверхности «сечения Б–Б»

Рисунок 5. Геометрическая трехмерная модель гибких металлических связей несущей панели 111М строительной системы

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.