Теплотехнические расчеты строительных конструкций с применением программного комплекса COMSOL Multiphysics

УДК 624-026.65:004.4(075.8)
ББК 38.5-02я73+32.972я73
      С16





Рецензенты:
кафедра «Строительные конструкции и строительное производство» Уральского государственного университета путей сообщения (заведующий кафедрой кандидат технических наук, доцент Н. Г. Горелов)', А. Н. Четверкин, кандидат технических наук, директор по научной работе ОАО «Уральский научно-исследовательский институт архитектуры и строительства», старший научный сотрудник, почетный строитель РФ


Научный редактор
В. Н. Алехин, кандидат технических наук, профессор






     Сальников, В. Б.
С16       Теплотехнические расчеты строительных конструкций с применением программно
      го комплекса COMSOL Multiphysics : [учеб.-метод. пособие] / В. Б. Сальников, В. А. Беляков ; [науч. ред. В. Н. Алехин] ; М-во образования и науки Рос. Федерации, Урал, фе-дер. ун-т. - Екатеринбург : Изд-во Урал, ун-та, 2016. - 48 с.

           ISBN 978-5-7996-1698-4



              Приведена методика теплотехнического расчета строительных конструкций на ПЭВМ с использованием программного комплекса COMSOL Multiphysics, которая используется при расчетах в курсовом и дипломном проектировании для обеспечения требуемых теплотехнических качеств наружных ограждающих конструкций зданий и сооружений.
              Для студентов, обучающихся по направлению подготовки «Строительство» (профиль «Проектирование зданий»).




УДК 624-026.65:004.4(075.8)
ББК 38.5-02я73+32.972я73

ISBN 978-5-7996-1698-4

© Уральский федеральный университет, 2016

        ПРЕДИСЛОВИЕ






     Учебно-методическое пособие подготовлено кафедрой систем автоматизированного проектирования объектов строительства совместно с кафедрой городского строительства Строительного института и кафедрой материаловедения в строительстве Института материаловедения и металлургии УрФУ. Оно предназначено для студентов, обучающихся по направлению подготовки «Строительство» (бакалавриат 08.03.01-62 «Строительство»; специальность «Проектирование зданий») всех форм обучения для подготовки к экзамену и выполнения практических занятий и курсового проекта по дисциплинам «Архитектура промышленных и гражданских зданий», «Автоматизация строительного проектирования», «Строительная теплотехника».
     Учебно-методическое пособие соответствует требованиям Федерального государственного образовательного стандарта по направлению «Строительство» и рабочей программы дисциплин.
     В пособии рассматриваются теоретические и практические вопросы применения программного комплекса COMSOL Multiphysics при проектировании, обобщается накопленный опыт проектирования, излагаются основы использования программы, пошаговый алгоритм, позволяющий освоить тонкости работы в комплексе и получить расчетные данные, необходимые для принятия технических решений по конструированию ограждающих конструкций и сложных узлов, содержащих теплопроводные включения. Рассмотрены теоретические основы и практические приемы работы в программном комплексе с учетом требований современной нормативно-технической документации.
     Учебно-методическое пособие предназначено для студентов, которые уже обладают необходимыми знаниями по смежным профессиональным дисциплинам, и поэтому для них изучение основ использования программного комплекса не будет затруднительным процессом. Материал пособия имеет практико-ориентированный характер обучения, приобретенные студентами знания и навыки могут быть использованы при выполнении курсовых работ и дипломных проектов, а также в практической деятельности.

        ВВЕДЕНИЕ






     В настоящее время при проектировании теплоэффективных зданий и сооружений используют нормативные документы, одним из которых является СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий» (актуализация СНиП 23-02-2003). Данный документ гласит, что теплозащитная оболочка здания должна отвечать следующим требованиям:
     а) поэлементным;
     б) комплексным;
     в) санитарно-гигиеническим.
     Под поэлементным требованием подразумевается, что приведенное сопротивление теплопередаче отдельных ограждающих конструкций должно быть не меньше нормируемых строительными правилами (СП) значений, под комплексным требованием - то, что удельная теплозащитная характеристика здания должна быть не больше нормируемого значения; под санитарно-гигиеническим требованием, что температура на внутренних поверхностях ограждающих конструкций должна быть не ниже минимально допустимых значений.
     Данный подход позволяет предлагать конструктивные решения, сбалансированные с точки зрения стоимости и энергоэффективности. Применение методик СП требует нередко проводить не только обобщенный анализ конструкций, но и выполнять сложные расчеты с использованием температурных полей, которые позволят увидеть работу отдельных элементов конструкций, а также сложных узлов и стыков разных конструкций с разными теплотехническими свойствами. Наличие этих данных позволяет более грамотно и, следовательно, более эффективно распределять средства тепловой защиты в зданиях и сооружениях, кроме того, эти данные позволяют не только сэкономить средства, но и увеличить комфорт проживания или работы людей в этом здании.
     Поэтому для получения полной картины работы тепловой защиты здания мы применяем компьютерные 3 D-модели, которые предоставляют нам более точные результаты, чем нормативные документы, а также возможность увидеть работу тепловой защиты в любой точке конструкции. Помимо этого работа с компьютерными моделями позволяет значительно сэкономить время на расчет конструкций, а также расширяет возможности экспериментирования с материалами и условиями их работы [см.: 13]. Авторы выражают благодарность канд. техн, наук В. В. Веселову и А. А. Пермякову за помощь и ценные указания при написании работы.

        1. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ ТЕПЛОТЕХНИКИ





        1.1. Введение в теплотехнику

     Строительная теплотехника занимается изучением теплопередачи и воздухопроница-ния через ограждающие конструкции зданий, а также влажностного режима ограждающих конструкций, связанного с процессами теплопередачи.
     Знание строительной теплотехники необходимо проектировщику для рационального применения различного типа наружных ограждающих конструкций. Особенно большое значение имеет знание строительной теплотехники для современного строительства, в котором широко применяются сборные облегченные конструкции из новых эффективных материалов.
     От теплотехнических качеств наружных ограждений зданий зависят следующие показатели:
     а) в отапливаемых зданиях - количество тепла, теряемого зданием в зимний период;
     б)      постоянство температуры воздуха в здании во времени при неравномерной отдаче тепла системой отопления;
     в) защита здания от перегрева;
     г)      температура внутренней поверхности ограждения, гарантирующая от образования на ней конденсата;
     д)      влажностный режим ограждения, влияющий на теплозащитные качества ограждения и его долговечность.
     Только ясное представление о процессах, происходящих в ограждениях при теплопередаче, и умение пользоваться соответствующими расчетами дают возможность проектировщику обеспечить требуемые теплотехнические качества наружных ограждающих конструкций.

    Вопросы для самоконтроля

     1. Предмет дисциплины «Строительная теплотехника».
     2. Для чего необходимо знание строительной теплотехники?
     3. Что зависит от теплотехнических качеств наружных ограждений зданий?


     Физический смысл теплопередачи, методики расчета

     Перемещение тепла в какой-либо среде возможно при условии, если температура в отдельных ее местах неодинакова. Разность температур в среде - необходимое условие для возникновения в ней теплопередачи, при этом перемещение тепла происходит в направлении более низкой температуры.
     При разности температур воздуха внутри и снаружи здания происходит теплопередача через наружные ограждающие конструкции. Зимой в отапливаемых зданиях теплопередача происходит через наружные ограждения из здания; теряемое при этом зданием тепло возмещается теплом, подаваемым различными системами отопления.
     Теплопередача - физический процесс передачи тепловой энергии от более горячего тела к более холодному либо непосредственно (при контакте), либо через разделяющую (тела или среды) перегородку из какого-либо материала. Когда физические тела одной системы нахо

5

дятся при разной температуре, то происходит передача тепловой энергии или теплопередача от одного тела к другому до наступления термодинамического равновесия. Самопроизвольная передача тепла всегда происходит от более горячего тела к более холодному, что является следствием второго закона термодинамики.
     Различают три вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение [11] (рис. 1).





                Виды теплопередачи





Рис. 1

     Строителей в большей степени интересует теплопроводность, так как в теплотехнических расчетах принято считать, что распространение тепла в материалах происходит лишь по законам теплопроводности.
     Под теплопроводностью понимают перенос теплоты структурными частицами вещества (молекулами, атомами, электронами) в процессе их теплового движения. Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением температур, но механизм переноса теплоты будет зависеть от агрегатного состояния вещества. Явление теплопроводности заключается в том, что кинетическая энергия атомов и молекул, которая определяет температуру тела, передается другому телу при их взаимодействии или из более нагретых областей тела к менее нагретым областям (рис. 2).
     Иногда теплопроводностью называется также количественная оценка способности конкретного вещества проводить тепло [см.: 1].
     Теплопередача конвекцией и излучением происходит в воздушных прослойках, а также у поверхностей, отделяющих конструкцию от внутреннего и наружного воздуха.
     Теплопередача конвекцией по существу включает два процесса:
     1)     передача тепла теплопроводностью от поверхности твердого тела через ламинарный пограничный слой к окрестностям ядра турбулентного потока;
     2)     передача тепла путем турбулентного переноса от ламинарного пограничного слоя к ядру турбулентного потока.

6