Последние годы в области строительной индустрии были ознаменованы существенно возросшим вниманием к энергосберегающим мероприятиям и технологиям. Об этом говорит хотя бы факт повсеместного использования эффективных разновидностей теплоизоляционных материалов для ограждающих конструкций при строительстве новых и реконструкции существующих объектов. Проведенные в данном аспекте мероприятия позволили сократить потери теплоты и связанную с ними отопительную нагрузку.
Вместе с тем, при возросших требованиях к ограждающим конструкциям участвующий в их теплотехническом расчете коэффициент теплоотдачи aH до сих пор остается незыблемым и, в соответствии с нормами [1], для конструкций, непосредственно контактирующих с наружным воздухом, равен 23 Вт/(м2 град). Такой однозначный подход к определению aH уже давно вызывает у известных нам проектировщиков и инженеров изумление, поскольку указанная характеристика с физической точки зрения зависит от многих факторов и требует их комплексного учета, исходя из конкретных условий эксплуатации строительного объекта. Эти условия, в первую очередь, характеризуются параметрами температуры, скорости и превалирующим направлением по отношению к зданию ветра, определяющими принадлежность объекта к тому или иному климатическому региону.
В этой связи учеными Теплотехнического факультета ГОУ ВПО ИжГТУ был разработан пакет прикладных программ «HOME», позволяющий проводить расчеты:
1. Перетока теплоты в строительных конструкциях;
2. Внешнего обтекания здания (группы зданий) вязким теплопроводным несжимаемым потоком воздуха.
Кроме того, представляемый пакет содержит модули построения сеток, модули наглядного представления вычислительной информации (графики, линии постоянных значений величин, векторные поля скоростей и т. д.) и являются весьма удобными и простыми в использовании. Так, настройка на определенную ситуацию у опытного пользователя при наличии краткой инструкции займет не более 10 мин.
Рис. 1. Поле скоростей при обтекании
воздушным потоком одиночного здания
Рис. 2. Линии тока при обтекании группы зданий
Первая из указанных задач реализована в двумерной постановке методом конечных элементов. На выходе программы представляются значения температур на наружных поверхностях строительных ограждений для узловых точек, размещенных на поверхности с переменным дискретным шагом. А далее эти значения используются как граничные условия во второй задаче, численно реализованной для двумерного стационарного случая методом конечных разностей. Данный программный продукт имеет следующие основные особенности:
а) конечно-разностная аппроксимация производных, присутствующих в системе уравнений Навье-Стокса, обеспечивает второй порядок точности;
б) для надежного расчета больших градиентов величин используется неравномерная сетка со сгущением узлов вблизи твердых поверхностей;
в) коэффициент кинематической вязкости воздуха представляется в виде
V=Vm + Vt
где Vm – определяет молекулярную вязкость воздуха, изменяющуюся с температурой, а для определения Vt в алгоритме реализована однопараметрическая модель турбулентности [2];
г) по желанию пользователя возможен расчет давления и учет лучистого теплообмена между поверхностями вертикальных ограждений и поверхностью земли (снегового покрова);
д) возможно проведение расчетов как для отдельно стоящего здания (рис. 1), так и для группы зданий (рис. 2).
По окончании данного этапа вычислений тепловые потоки будут отличаться от полученных ранее в первом приближении. Таким образом, далее необходим возврат к первой программе и повторение всей описанной выше процедуры вычислений. Практика расчетов показывает, что решение по значениям температур сходится за 3-4 «глобальные» итерации. Окончательное решение после систематизации и анализа результатов представляется в форме критериального соотношения
Nu = f (Re, Pr, Gr)
Кроме того, представляется возможным по определенному полю давления расчет показателей аэрации помещений.
Литература
1. СНиП II-3-79*. Строительная теплотехника / Госстрой России. – М.: ГУП ЦПП, 1998, С. 29.
2. Секундов А. Н. Применение дифференциального уравнения для турбулентной вязкости и анализ плоских неавтомодельных течений. // Изв. АН СССР, МЖГ, 1971, №5, С. 114-127.
