Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.
Томск: ТГАСУ, 2006. — 197 с.
05.23.03 - Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение
Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Кузин А.Я. Актуальность работы. После внесения изменений в СНиП II-3-79 в 1995 году, ужесточающих требования к тепловой защите зданий, началась активная работа ученых по разработке наружных ограждений, отвечающих условиям энергосбережения. На законодательном уровне разработка и реализация программ энергосбережения началась в регионах России особенно после вступления в силу Федерального Закона «Об энергосбережении» № 28-фз от 03.04.96 г. Обязательными разделами в этих программах являются научное, правовое и экономическое обоснование энергосберегающих мероприятий, в том числе касающихся повышения теплозащитных свойств стеновых конструкций существующего фонда отапливаемых зданий и зданий нового строительства . Изменения СНиП II-3-79 в 1998 и в 2000 годах активизировали разработку новых неоднородных и многослойных конструкций наружных стен, включая фасадные системы утепления. Наиболее гигиеничными и экологически чистыми из применяемых в строительстве конструкций считаются конструкции из цельной необработанной древесины. Небольшая по сравнению с кирпичными стенами масса, а также повышенная конструктивная гибкость стен из древесины позволяют применять легкие эффективные мелко заглубленные фундаменты. Древесина в Сибири - самый дешевый и доступный материал для строительства жилых домов. Деревянные дома возводятся из бревен, щитов, смешанных конструкций, но наиболее экономичные из них - дома из брусьев. Это обусловлено тем, что стены из брусьев возводят с наименьшими затратами труда, при этом не требуются специалисты высокой квалификации. Кроме того, прямоугольная форма поперечного и продольного сечений брусьев обеспечивает их плотное прилегание друг к другу, а, следовательно, повышает теплозащитные свойства конструкции. Однако стандартные размеры сечений брусьев и бревен для ряда территорий России, в частности для Западной Сибири, не отвечают по своим теплотехническим характеристикам современным требованиям. Одним из способов повышения теплозащитных свойств наружных стен из древесины является выполнение их из неоднородных фрагментов с продольными осевыми отверстиями, заполненными эффективным утеплителем. Обработка огнебиозащитными и гидрофобизирующими составами наружных и внутренних поверхностей фрагментов увеличивает их эксплуатационную надежность. Доступность современных облицовочных и утепляющих материалов в настоящее время позволяет «крепкие» деревянные дома, не представляющие архитектурное наследие в виде памятников деревянной архитектуры, утеплять различными внешними (фасадными) системами. Возможно также выполнение этих систем утепления с вентилируемыми воздушными зазорами. Таким образом актуальность темы диссертационной работы обусловлена необходимостью повышения теплозащитных свойств деревянных наружных ограждений, применяемых в индивидуальном и производственном домостроении в холодных климатических зонах России. Актуальность диссертационных исследований подтверждается выполнением их в рамках программы Федерального агентства по образованию Развитие научного потенциала высшей школы (Подпрограмма
2. Прикладные исследования и разработки по приоритетным направлениям науки и техники, код проекта 7756), межотраслевой программы Министерства образования РФ в ТГАСУ (Проект № ТО2-01.2-881) и гранта президента РФ для поддержки молодых российских ученых и ведущих научных школ (МК -1812.2003.8). Целью работы является исследование закономерностей нестационарного теплопереноса в неоднородных наружных брусчатых и бревенчатых стенах зданий с повышенными теплозащитными свойствами. Для достижения поставленной цели в работе были решены следующие задачи: разработать перспективные по критерию энергосбережения конструктивные схемы утепления брусчатых и бревенчатых стен зданий и дать их экономическое обоснование; разработать физико-математические модели теплопереноса в неоднородных брусе и бревне и их программно-алгоритмическое сопровождение; провести экспериментальное исследование теплопереноса в неоднородной брусчатой стене для установления адекватности математической модели и ее верификации; используя математическое моделирование исследовать закономерности плоского и пространственного теплопереноса в предлагаемых деревянных конструкциях стен с внутренними и внешними системами утепления; разработать инженерную методику расчета для определения сопротивления теплопередаче неоднородной брусчатой стены с фасадной системой утепления на гибких связях. Научная новизна работы: разработан эффективный программно-алгоритмический комплекс для исследования нестационарного двух- и трехмерного теплопереноса в неоднородных фрагментах брусчатых и бревенчатых стен зданий. на основе комплексного теоретико-экспериментального исследования установлен механизм нестационарного двумерного теплопереноса в неоднородных деревянных фрагментах брусчатых и бревенчатых стен зданий. Показано, что наибольшие возмущения полей температуры и плотностей тепловых потоков наблюдаются в местах стыка древесины с теплоизолирующими вставками; установлено наличие поперечного сечения в утепленном брусе с минимальным значением трансмиссионной теплоты, до которого теплота отводится от оси бруса на периферию, а после которого, наоборот, подводится с периферии к его оси. Показано, что теплозащитная эффективность утепленного бруса на 15 -г 20 % выше, чем теплозащитная эффективность утепленного бревна. Выявлено, что предложенный способ утепления брусчатых и бревенчатых стен зданий позволяет уменьшить тепловые потери на 10-40 % при одновременном снижении массы на 17-48 %; на основе численного решения задачи нестационарного трехмерного теплопереноса в неоднородной брусчатой стене с фасадной системой утепления на гибких связях установлено, что применение фасадной системы утепления снижает тепловые потери через стену в 1,8 раза; получены новые расчетные зависимости для определения сопротивления теплопередаче неоднородной брусчатой стены с фасадной системой утепления на гибких связях.
05.23.03 - Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение
Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Кузин А.Я. Актуальность работы. После внесения изменений в СНиП II-3-79 в 1995 году, ужесточающих требования к тепловой защите зданий, началась активная работа ученых по разработке наружных ограждений, отвечающих условиям энергосбережения. На законодательном уровне разработка и реализация программ энергосбережения началась в регионах России особенно после вступления в силу Федерального Закона «Об энергосбережении» № 28-фз от 03.04.96 г. Обязательными разделами в этих программах являются научное, правовое и экономическое обоснование энергосберегающих мероприятий, в том числе касающихся повышения теплозащитных свойств стеновых конструкций существующего фонда отапливаемых зданий и зданий нового строительства . Изменения СНиП II-3-79 в 1998 и в 2000 годах активизировали разработку новых неоднородных и многослойных конструкций наружных стен, включая фасадные системы утепления. Наиболее гигиеничными и экологически чистыми из применяемых в строительстве конструкций считаются конструкции из цельной необработанной древесины. Небольшая по сравнению с кирпичными стенами масса, а также повышенная конструктивная гибкость стен из древесины позволяют применять легкие эффективные мелко заглубленные фундаменты. Древесина в Сибири - самый дешевый и доступный материал для строительства жилых домов. Деревянные дома возводятся из бревен, щитов, смешанных конструкций, но наиболее экономичные из них - дома из брусьев. Это обусловлено тем, что стены из брусьев возводят с наименьшими затратами труда, при этом не требуются специалисты высокой квалификации. Кроме того, прямоугольная форма поперечного и продольного сечений брусьев обеспечивает их плотное прилегание друг к другу, а, следовательно, повышает теплозащитные свойства конструкции. Однако стандартные размеры сечений брусьев и бревен для ряда территорий России, в частности для Западной Сибири, не отвечают по своим теплотехническим характеристикам современным требованиям. Одним из способов повышения теплозащитных свойств наружных стен из древесины является выполнение их из неоднородных фрагментов с продольными осевыми отверстиями, заполненными эффективным утеплителем. Обработка огнебиозащитными и гидрофобизирующими составами наружных и внутренних поверхностей фрагментов увеличивает их эксплуатационную надежность. Доступность современных облицовочных и утепляющих материалов в настоящее время позволяет «крепкие» деревянные дома, не представляющие архитектурное наследие в виде памятников деревянной архитектуры, утеплять различными внешними (фасадными) системами. Возможно также выполнение этих систем утепления с вентилируемыми воздушными зазорами. Таким образом актуальность темы диссертационной работы обусловлена необходимостью повышения теплозащитных свойств деревянных наружных ограждений, применяемых в индивидуальном и производственном домостроении в холодных климатических зонах России. Актуальность диссертационных исследований подтверждается выполнением их в рамках программы Федерального агентства по образованию Развитие научного потенциала высшей школы (Подпрограмма
2. Прикладные исследования и разработки по приоритетным направлениям науки и техники, код проекта 7756), межотраслевой программы Министерства образования РФ в ТГАСУ (Проект № ТО2-01.2-881) и гранта президента РФ для поддержки молодых российских ученых и ведущих научных школ (МК -1812.2003.8). Целью работы является исследование закономерностей нестационарного теплопереноса в неоднородных наружных брусчатых и бревенчатых стенах зданий с повышенными теплозащитными свойствами. Для достижения поставленной цели в работе были решены следующие задачи: разработать перспективные по критерию энергосбережения конструктивные схемы утепления брусчатых и бревенчатых стен зданий и дать их экономическое обоснование; разработать физико-математические модели теплопереноса в неоднородных брусе и бревне и их программно-алгоритмическое сопровождение; провести экспериментальное исследование теплопереноса в неоднородной брусчатой стене для установления адекватности математической модели и ее верификации; используя математическое моделирование исследовать закономерности плоского и пространственного теплопереноса в предлагаемых деревянных конструкциях стен с внутренними и внешними системами утепления; разработать инженерную методику расчета для определения сопротивления теплопередаче неоднородной брусчатой стены с фасадной системой утепления на гибких связях. Научная новизна работы: разработан эффективный программно-алгоритмический комплекс для исследования нестационарного двух- и трехмерного теплопереноса в неоднородных фрагментах брусчатых и бревенчатых стен зданий. на основе комплексного теоретико-экспериментального исследования установлен механизм нестационарного двумерного теплопереноса в неоднородных деревянных фрагментах брусчатых и бревенчатых стен зданий. Показано, что наибольшие возмущения полей температуры и плотностей тепловых потоков наблюдаются в местах стыка древесины с теплоизолирующими вставками; установлено наличие поперечного сечения в утепленном брусе с минимальным значением трансмиссионной теплоты, до которого теплота отводится от оси бруса на периферию, а после которого, наоборот, подводится с периферии к его оси. Показано, что теплозащитная эффективность утепленного бруса на 15 -г 20 % выше, чем теплозащитная эффективность утепленного бревна. Выявлено, что предложенный способ утепления брусчатых и бревенчатых стен зданий позволяет уменьшить тепловые потери на 10-40 % при одновременном снижении массы на 17-48 %; на основе численного решения задачи нестационарного трехмерного теплопереноса в неоднородной брусчатой стене с фасадной системой утепления на гибких связях установлено, что применение фасадной системы утепления снижает тепловые потери через стену в 1,8 раза; получены новые расчетные зависимости для определения сопротивления теплопередаче неоднородной брусчатой стены с фасадной системой утепления на гибких связях.