Исследование теплотехнической однородности зданий с однослойными ограждающими конструкциями в условиях эксплуатации на Среднем Урале

Рис.16

Рис.17

«Convective cooling» в этой вкладке задаются граничные условия для наружных поверхностей модели, в нашем случае это конвективное охлаждение поверхности при температуре наружного воздуха 265[K], и коэффициенте теплопередачи у наружной поверхности h=23[Вт/м2*К] определяемый по СНиП. Все наружные поверхности выделяем правой кнопкой мыши и добавляем в окно «selection», они отмечаются синим цветом. Рис.19.

Во вкладке «symmetry» выбираем поверхности относительно которых будет рассчитывается модель, так как мы берем разрез здания. Иначе расчет будет выполнен некорректно. Рис.20.

Рис.18

Рис.19, Рис.20

4.      Создание сетки.

     В вкладке «Model Builder»  правой кнопкой мышь нажимаем на значок «Mesh». В сплывающем окне нажимаем «Free tetrahedral» - задаем вид конечного элемента. Во вкладке «Free tetrahedral» выбираем пункт «size». Выделим блоки которые будем разбивать сеткой, размер элемента выбираем Extremely coarse(самый большой), поскольку толщина слоя штукатурки всего 30мм, при выборе более плотной разбивки сетки, получается очень большое число конечных элементов, и у компьютера может не хватить памяти обработать такое кол-во. Рис.21

Рис.21

Для остальных блоков выбираем другой размер сетки, для этого нажимаем на значок «Mesh». В сплывающем окне нажимаем «Free tetrahedral» - задаем вид конечного элемента. Во вкладке «Free tetrahedral» выбираем пункт «size». Выделим блоки которые будем разбивать сеткой, размер элемента выбираем Normal. Рис.22.

После нажимаем «Build All», и программа производит разбивку сетки конечных элементов.

Рис.22 

5.      Расчет и обработка результатов.

     После всех выполненных операций в меню «Model Builder» нажимаем на кнопку «Study». В появившемся окне, нажимаем знак равно и ждем, пока компьютер совершит все расчеты.

     После выполненных расчетов в меню «Model Builder» переходим в подменю «Results». Нажимаем кнопку «3D Plot Group - Surface». В данном окне мы выбираем единицы измерения температур, цветовую гамму отображения тепловых потоков. Также можем перевести наш узел в изображение с расширением jpeg.Рис.23

Во вкладке temperature, при нажатии правой кнопки мыши, можем выбрать вкладки volume, slice, surface, и пр. они по разному отображают результаты расчета. При нажатии левой кнопки мыши на цветной модели на вкладке results отображаются координаты выбранной точки и температура в данной точке. Рис.24

Рис.23

Рис.24

Не стационарный расчет.

     Рассмотрим ту же модель, что и в предыдущем расчете. Но только наружная  температура будет не постоянна, а будет изменяться по закону.

1.      Тип создаваемой модели.

Во вкладке «Study» выбираем пункт «time dependent» Рис.25, а вкладку со стационарным расчетом делаем неактивной. Рис.26

Рис.25

Рис.26

Во вкладке «heat transfer» в конвективном охлаждении вместо, фиксированной температуры записываем закон ее изменения. Рис.27

      Необходимо задать уравнение по которому будет изменяться температура. Для этого правой кнопкой мыши нажимаем на «Definitions», выбираем «Variables». В этом меню вводим название функции – «а», и её значение     T2-deltaT*sin(omega*t). Т2 – это начальная температура, deltaT – разница начальной и конечной температуры. Omega= 3.14/15768000, t – временной интервал (31536000 сек.).

Рис.27

      Необходимо задать уравнение по которому будет изменяться температура. Для этого правой кнопкой мыши нажимаем на «Definitions», выбираем «Variables». В этом меню вводим название функции – «а», и её значение     T2-deltaT*sin(omega*t). Т2 – это начальная температура, deltaT – разница начальной и конечной температуры. Omega= 3.14/15768000, t – временной интервал (31536000 сек.).

2.      Расчет и обработка результатов.

     Перед тем как начать расчет, необходимо внести изменения в вкладке «Study» в подменю «Time Dependent». Изменения вносятся в графу «Time». Необходимо написать «range(0,100,31536000)». 0 – начало расчета, 31536000 – конец, 86400 – интервал. Рис.28.

После расчетов переходим к вкладе «Results», подменю «3D Plot Group». Для того что бы посмотреть динамическое распределение тепловых потоков нажимаем на кнопку «Play».

Рис.28

   Так же возможен процесс импорта видео в внешние форматы (AVI, GIF, Flash). Для этого правой кнопкой нажимаем на вкладку «Report», выбираем «Animation». Выбираем путь сохранения файла, расширение, а также качество видео. Нажимаем на кнопку «Export». Рис.29

Рис.29

Глава 4.

4.1. Сравнительный анализ данных тепловизионной съемки и  узлов расчетной модели.

При выполнении ряда замеров ограждающей конструкции при помощи тепловизора, были выявлены некоторые дефекты, описанные во 2главе. Нам предстоит разобраться в природе этих дефектов и их происхождении. Для этого мы строим фрагмент макета здания, и задаем граничные условия, близкие к тем при которых производилась тепловизионная съемка. После построения и расчета модели в ПК Comsol, мы получаем распределение поля температур внутри помещения и внутри ограждения. После чего, в программе мы можем посмотреть значение температуры в любой точке. Нас интересуют проблемные места выявленные при тепловизионной съемке, а именно места примыкания фундамента и ограждения, место примыкания плиты перекрытия первого этажа и ограждения, места размещения оконных перемычек, теплопотери через оконный блок, и места примыкания блока и стенового ограждения. Рис.30

Рис.30

При анализе двух изображений рис.30 и рис.31 видим равномерное распределение температуры по оконному блоку с небольшим возрастанием температуры к верхней части окна. Температура на поверхности окна при съемке находиться в пределах -3 -1 С, значительно большая температура окон 1 го этажа обусловлена тем, что окна стоят в режиме микропроветривания. При наведении курсора на оконный блок в модели, нам выводятся координаты точки и температура в данной точке, для окна первого этажа (0 С) для окна второго этажа (-0.5 С). Существенных потерь тепла в местах примыкания оконного блока и стенового ограждения не наблюдается.

Рис.31.

На рисунке 30 мы видим, выходы тепла в местах примыкания балок перекрытия 1го этажа, они находятся в зоне Ар1 температура в этих местах около (-6 С), на рисунке 31 мы также видим места размещения балок перекрытия, обозначенные более светлыми пятнами на фасаде, с температурой в этих точках  (-6 С) и перепаде температуры с основной поверхностью стены (-1.3 С). Что не является критичным и согласуется с теплотехническим расчетом.  Также, на модели мы не видим какого либо существенного выхода тепла в районе перемычки, а картина тепловизионной съемки показывает утечки тепла в этом месте, что скорее всего вызвано ошибками при проведении строительных работ.

Рис.32.

На рисунке 32 видны значительные зоны выхода тепла в районе фундамента, температура на поверхности состовляет (-3 -4 С) (не утеплен фундамент),  на модели  мы также видим зону незначительного выхода тепла, в месте примыкания плиты первого этажа и фундамента, температура на поверхности состовляет (-3 -4 С). Но при условии утепления фундамента эта зона минимальна.

Вывод: Созданная модель здания практически полностью согласуется с натурными измерениями, из-этого заключаем, что созданную модель можно использовать на этапе проектирования, для выявления и рассмотрения сложных узлов, и своевренного изменения проектных решений.

4.2. Анализ результатов стационарного и нестационарного расчета.

Рис.33. Не стационарный расчет ( 80 день, 6912000 сек)

Рис.34 Стационарный расчет

На рисунке 33 показанны результаты нестационарного расчета на 80 день после начала расчета, шаг времени состовляет 10 дней, более точный расчет не позволяют выполнить возможности выч. Техники.

Но даже, при таком грубом расчете видно, как влияет теплоемкость строительных материалов на теплоустойчивость помещения. Даже при более низкой температуре наружных поверхностей(-15 С), температура на внутренних поверхностях составляет (+27 С), и продолжает повышаться. Это свидетельствует об избыточности теплового источника либо дает нам возможность по оптимизации строительной крнструкции, уменьшении толщины наружного ограждения.

Выводы:

При выполнение дипломной работы мы изучили  методики расчета наружных ограждающих конструкций и нормативную документацию в данной области. При расчете мы обращались к следующей нормативной базе: СНиП II-3-79 «Строительная теплотехника»; СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий».

При тепловизионной съемке была изученная методика работы  с приборами, по ГОСТ 26629-85 «Метод тепловизионного контроля качества теплоизоляции ограждающих конструкций», такими как :

Освоили принцип работы данных приборов, условия проведения тепловизионного обследования. Научились анализировать термограммы и при анализе выявлять места и характер дефектов. При тепловизионном обследование были выявлены следующие дефекты:

- Аномальная зона с более высокой температурой в области примыкания фундамен-та.

- Мостик холода в стыке примыкания плиты перекрытия между 2м этажом и чердачным помещением. Температура в данном узле ниже точки росы. Наблюдается появление пятен сырости.

- Промерзание в области оконных откосов. Зафиксированы температуры ниже точки росы. Наблюдается появление пятен сырости, грибка.

При построении модели данного здания  в программе comsol при аналогичных погодных условиях и температуре помещения, была получена похожая картина теплопотерь через плиты перекрытия и оконные блоки, что полностью согласуется с теплотехническим расчетом по СНиП.

При расчете модели,  в аномальных зонах потерь тепла не наблюдалось, отсюда мы делаем вывод, что выход  тепла в этих зонах происходит в следствие некачественного выполнения строительных работ или применения не качественных материалов.

-Освоили принцип работы ПК COMSOL в стационарном и не стационарном режиме выполнения расчета. Была изучена методическая литература и разобраны примеры решения задач в модуле «Heat transfer» поставляемые с дистрибутивом программы на английском языке.

-Построили модель фрагмента здания с заданием известных характеристик окружающей среды, задали теплотехнические свойства материалам, разбили модель на конечные элементы и выполнили расчет в ПК COMSOL, при стационарном и не стационарном режиме расчета.

- Подготовили методическое пособие по работе в ПК COMSOL в модуле «Heat transfer» (теплопередача), в котором подробно разобрали геометрическое построение модели с использованием различных встроенных функций, задали собственные характеристики  материалов применяемых в модели и добавили их в библиотеку материалов, описали метод разбиения сетки конечных элементов. Рассмотрели способы визуализации и оценки результатов.

-Выполнили сравнение данных тепловизионной съемки с результатом полученным при моделировании в ПК COMSOL. Получили практически полное соответствие температур на поверхности ограждения, и в отдельных узлах, за исключением аномальных зон.

-Выполнили анализ результатов расчета и рассмотрели возможность оптимизации проектных решений, в частности уменьшения мощности теплового источника, применения утепленной отмостки по периметру здания, уменьшение толщины ограждения.

74