Моделирование нестационарного теплообмена через ограждающие конструкции с легкими вентилируемыми фасадами и кровлями

Актуальность. Ограждающие конструкции зданий находятся в постоянно меняющихся внешних тепловых условиях, это приводит к изменениям внутреннего теплового микроклимата помещений, что необходимо учитывать при проектировании тепловой защиты зданий и инженерных систем отопления, вентиляции и кондиционирования. При этом оболочки зданий могут содержать вентилируемый фасад на относе и/или кровлю с вентилируемым зазором. В большинстве известных результатов исследований и методик расчета теплопереноса через такие конструкции, в силу сложности его механизма, недостаточно полно и точно учитывается нестационарность внешних тепловых воздействий. Причиной является невысокая эффективность и точность используемых методик расчета.

Цель выполненных исследований – создание эффективной физико-математической модели, позволяющей проводить расчеты нестационарного теплопереноса через стеновые ограждающие конструкции и покрытия, содержащие легкие фасады с вентилируемым зазором.

Методы. Для проведения расчетов разработана комбинированная аналитическая и численная модель теплопереноса через ограждающие конструкции и покрытия, содержащие вентилируемый зазор. Модель включает итерационный расчет нестационарного переноса тепла в вентилируемом зазоре с использованием уравнений «мгновенного» теплового баланса в вентилируемой прослойке с учетом конечно-разностного детального расчета нестационарного переноса теплоты в ограждающей конструкции.

Результаты. Результаты, получаемые с использованием разработанной модели, показывают хорошее совпадение с известными экспериментальными и расчетными данными. В частности, для апробации модели рассмотрен случай теплопоступлений в помещение через легкий вентилируемый фасад и при его отсутствии. Показано, что в летний период использование вентилируемого фасада, несмотря на незначительное изменение сопротивления теплопередаче, позволяет значительно сократить теплопоступления в помещение.

1. Tiantian Zhang, Yufei Tan, Hongxing Yang, Xuedan Zhang. The application of air layers in building envelopes: A review // Applied Energy. 2016. № 165. P. 707–743.

2. Гагарин В.Г., Козлов В.В., Цыкановский Е.Ю. Расчет теплозащиты фасадов с вентилируемым воздушным зазором. Часть 1 // АВОК: Вентиляция, отопление, кондиционирование воздуха, теплоснабжение и строительная теплофизика. 2004. № 2. С. 20–26. EDN: SMDKZB

3. Умнякова Н.П. Теплозащита замкнутых воздушных прослоек с отражательной теплоизоляцией // Жилищное строительство. 2014. № 1–2. С. 16–20. EDN: ZSNOJX

4. Banionis K., Stankevičius V., Monstvilas E. Heat exchange in the surface of lightweight steel roof coatings // Journal of Civil Engineering and Management. 2011. V. 17. № 1. P. 88–97.

5. Shikha Ebrahim, Adel Alshayji. Redusing Solar Heat Gain From Included Buildings’ Roof by Using Radiant Barrier System. URL: https://www.academia.edu/65921943/Reducing_Solar_Heat_Gain_From_Inclined_Buildings_Roof_By_Using_Radiant_Barrier_System?email_work_card=abstract-read-more (accessed 2013).

6. Окунев А.Ю., Левин Е.В. Лучистый теплообмен ограждающих конструкций зданий с окружающей средой // Жилищное строительство. 2023. № 6. С. 43–51. DOI: 10.31659/044-4472-2024-7-43-51

7. Левин Е.В., Окунев А.Ю., Умнякова Н.П., Шубин И.Л. Основы современной строительной термографии. Москва : НИИСФ РААСН, 2012. 170 с.

8. Седов Л.И. Методы подобия и размерности в механике. 9-е изд., перераб. Москва : Наука, 1981. 448 с.

9. Пищулин В.П. Расчет кожухотрубчатого теплообменника. Северск : СТИ НИЯУ МИФИ, 2010. 37 с.

10. Du Fort E.C., Frankel S.P. Stability Conditions in the Numerical Treatment of Parabolic Differential Equations // Math. Tables Other Aids Comput. 1953. V. 7. № 43. P. 135–152.

11. Роуч П. Вычислительная гидродинамика / пер. с англ. В.А. Гущина, В.Я. Митницкого ; под ред. П.И. Чушкина. Москва : Мир, 1980. 616 с.