Файл доклада - Воронежский государственный технический

УДК 372.853
Проект виртуальной работы на основе компьютерной модели тепловых потерь в двухслойных строительных конструкциях
П.В. Бондаренко1, Л.А. Васильева2
1
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования «Волгоградский государственный университет»; bondarenko.volsu@gmail.com
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования «Волгоградский государственный технический университет»; lida-vgasu@mail.ru
2
В статье рассматривается применение компьютерной модели явления теплопроводности в двухслойных системах в качестве виртуальной лабораторной работы для студентов строителей, специализирующихся по тепло- и энергоснабжению предприятий. Предлагаются примерные задания для студентов по подбору материалов наружных стен и
расчету теплопотерь с точки зрения энергосбережения.
Ключевые слова: компьютерное моделирование; виртуальная
компьютерная работа; теплопроводность; теплосбережение;
двухслойные системы; теплоизоляционные материалы.
В настоящее время большое внимание уделяется применению
информационных технологий во всех сферах деятельности, в том
числе в образовании. Разработка компьютерных программ для учебной деятельности и апробация этих программ в студенческих группах является важной частью работы преподавателя.
В данной работе мы ставили своей задачей построить проект
лабораторной работы для студентов, выполняемой в компьютерном
классе, на основе компьютерной модели для расчета коэффициента
теплопроводности двухслойной строительной конструкции и распределения температур внутри этой конструкции [1].
Выбор темы обусловлен проблемой энергосбережения, которой уделяется большое внимание при строительстве жилых и офисных зданий. Работа предназначается для студентов-строителей, специализирующихся по теплотехнике и теплоэнергетике и может ис-
пользоваться как при изучении курса физики, так и специальных
предметов, в том числе для расчетов экономической эффективности
утепления строительных конструкций.
Целью данной работы является разработка заданий для студентов строителей по исследованию тепловых потерь в двухслойных
системах, например, в тех, которые в настоящее время активно используются при строительстве и эксплуатации жилых и общественных зданий.
Компьютерная программа позволяет строить графики зависимостей коэффициента теплопроводности двухслойной системы от
относительной толщины стены в соответствии с выражением [1]:

1
1 x
 x 
  2 1  
1 x
x 

,
(1)
где χ - коэффициент теплопроводности двухслойной системы; χ1 коэффициент теплопроводности первого слоя; χ2 - коэффициент теплопроводности второго слоя; x - общая толщина конструкции; ∆x толщина несущего слоя конструкции.
В случае если конструкция расположена между областями с
отрицательной и положительной величинами температур, то существует опасность, что точка росы и точка промерзания может располагаться в несущем слое наружной стены, что повлечет за собой
преждевременный износ и разрушение конструкции. Следовательно,
исследование распределения температуры внутри конструкции имеет первостепенное значение при теплоизоляции строительных сооружений.
Воспользовавшись уравнением Фурье можно найти температуру между слоями в двухслойной структуре [2]:
 
 
T1  1   T3  2 
d
 d2  ,
T2   1 
1  2

d1 d 2
(2)
где T1 - комнатная температура; T2 - температура на границе стены и
утеплителя; T3 - наружная температура; d1 и d2 - толщина несущего
слоя и утеплителя.
Формулы (1) и (2) используются в компьютерной программе с
целью исследования теплопроводности двухслойных систем.
Исследование проводилось методом компьютерного моделирования в среде Lazarus на языке программирования Object Pascal.
Интерфейс первой части программы позволяет пользователю
вводить известные значения коэффициентов теплопроводности компонентов системы, например, материалов, используемых при строительстве домов. Вводя значения коэффициентов теплопроводности
несущего слоя и слоя утеплителя, пользователь программы может
определить коэффициент теплопроводности стены для любого соотношения толщин слоев. Расчет коэффициента теплопроводности
двухслойной системы проводился в зависимости от отношения толщины одного из слоев к общей толщине системы, с построением соответствующего графика.
Интерфейс второй части программы позволяет пользователю
вводить известные размеры несущего слоя строительной конструкции (силикатный кирпич) и утеплителя (стекловата), которые активно используются при строительстве домов. Зная толщины несущего
слоя и слоя утеплителя, программа позволяет определить оптимальный размер утеплителя для предотвращения промерзания и разрушения несущей конструкции здания.
Студентам предлагается выполнить несколько заданий.
Задание 1.
а) Построить зависимость коэффициента теплопроводности
двухслойной системы χ от относительной толщины ∆x /х, где ∆x толщина несущего слоя, х - общая толщина стены. Материалы несущего слоя и утеплителя каждая пара студентов подбирает самостоятельно. Соответствующие коэффициенты теплопроводности материалов находят из справочников, и вводят в соответствующие поля на
форму приложения с клавиатуры.
б) Оценить теплопотери через единицу площади поверхности
наружной стены здания в единицу времени, воспользовавшись уравнением Фурье. Значение коэффициента теплопроводности двухслойной системы определить из графика. Рассчитать теплопотери
для случая стены без утеплителя. Оценить разницу теплопотерь для
конструкции с утеплителем и без утеплителя с помощью следующих
формул:
Q  QБез . утепл.  QС . утепл.
QС . утепл.  
QБез . утепл.  

(T3  T1 ),
x
1
x
(T3  T1 ),
,
(3)
(4)
(5)
где  - коэффициент теплопроводности двуслойной системы, 1 коэффициент теплопроводности несущего слоя; x – толщина слоя с
утеплителем; x- толщина слоя без утеплителя; T3 – температура на
улице; T1 – температура в комнате.
в) Проделать пункты а) и б) для двухкамерных и трехкамерных
стеклопакетов или для стеклопакетов с различными газами (по заданию преподавателя).
г) Проанализировать полученные результаты и сделать выводы.
Программа была опробована в студенческой группе института
ВолгГTУ.
На рисунке 1 представлены полученные студентами результаты исследований в виде графиков для стеклопакетов с различными
газами (а) и стен с разными несущими слоями и одинаковым утеплителем (б).
Студенты с помощью программы могут подобрать утеплитель
и определить оптимальное соотношение толщины несущего слоя и
утеплителя при построении и утеплении зданий, исходя из соображений энергосбережения. Определив коэффициент теплопроводности по графику, студенты рассчитывают теплопотери через наружные стены и стеклопакеты. По заданию преподавателя можно добавить расчет экономической эффективности и окупаемости утепления.
Задание 2.
а) Построить графики распределения температуры внутри конструкции и график зависимости температуры на границе между слоями конструкции от наружной температуры для системы "силикатный кирпич - стекловата" для разных значений толщины слоев.
б) Оценить необходимую для выбранных климатических условий толщину слоя утеплителя.
а)
б)
Рис.1. Интерфейс первой части программы, иллюстрирующий
графики зависимостей коэффициента теплопроводности для двухслойных систем от относительной толщины: а) для стеклопакетов с
различными газами, например:(χ1=0,1 Вт/м К) - стекло, (χ2=0,02
Вт/м К) – воздух; б) силикатный кирпич (χ1=0,85 Вт/м К) - стекловата (χ2 = 0,05 Вт/м К).
а)
б)
Рис.2. Интерфейс второй части программы для двухслойной
системы: силикатный кирпич толщиной ∆x = 0,64 м - стекловата: а)
график зависимости температуры на границе между несущим слоем
и утеплителем Т2 от температуры на улице Т3, б) график зависимости температуры от толщины стены (область между Т1 и Т2 относится к несущему слою стены, между Т2 и Т3 - к утеплителю).
Пользуясь программой, были построены графики распределения температур внутри конструкции и график зависимости температуры для системы "силикатный кирпич - стекловата" для двух значений толщины слоев стекловаты (рис 2.).
Из рисунка 2 видно, что при заданных значениях введенных
параметров несущего слоя и утеплителя несущий слой находится в
области положительных температур вплоть до - 30С на улице. Анализируя графики, можно подобрать необходимую толщину слоя
утеплителя для определенных климатических условий.
На рисунке 2 представлены кривые, полученные студентами
при выполнении второго задания. Зная влажность атмосферного
воздуха и точку росы по графикам (нижние кривые) можно определить границу, до которой отсыреет конструкция. Соответственно
увеличивается теплопроводность, и растут теплопотери. Нижние
кривые строятся в виде серии с шагом по наружной температуре в
10С.
Таким образом, апробация программы показывает, что программа позволяет определить коэффициент теплопроводности двухслойной системы, оптимальное соотношение толщины несущего
слоя и утеплителя при построении и утеплении зданий, исходя из
соображений энергосбережения и экономии строительных материалов.
Апробация компьютерной программы в студенческой группе
показала полезность такой работы для студентов 1 - 2 курсов , специализирующихся по теплотехнике и теплоэнергетике.
Список литературы
1. Бондаренко П. В., Васильева Л. А., Ясинская А. О. Исследование теплопроводности двухслойных систем // Сборник научных
трудов SWORLD. Одесса, 2013. Т. 43. № 1. С. 42-44.
2. Бондаренко П.В, Васильева Л.А., Ясинская А.О. Компьютерное моделирование тепловых потерь в двухслойных строительных конструкциях // Альманах Современной науки и образования .
Тамбов, 2014. №7. С. 41-55.
Virtual project work based on a computer model of heat loss in two-layer
construction structures
P.V. Bondarenko1, L.A. Vasilieva2
1
Federal State Autonomous Educational Institution of Higher Professional Education «Volgograd State University»; bondarenko.volsu@gmail.com
2
Federal State Educational Institution of Higher Education «Volgograd State
Technical University»; lida-vgasu@mail.ru
The article discusses the use of a computer model of the phenomenon
of heat conduction in two-layer systems as a virtual lab for students builders
specializing in heat and energy supply companies. Sample tasks are offered
for students on the selection of materials of exterior walls and the calculation
of heat loss from the point of view of energy saving.
Key words: computer simulation; virtual computer work; thermal
conductivity; heat saving; dual layer system; thermal insulation materials.