На правах рукописи
Константинов Александр Петрович
МЕТОДИКА РАСЧЕТА СНЕГОВЫХ ОТЛОЖЕНИЙ ДЛЯ ОЦЕНКИ
ЕСТЕСТВЕННОГО ОСВЕЩЕНИЯ И ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА
СВЕТОПРОЗРАЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ КУПОЛЬНЫХ ПОКРЫТИЙ
Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Москва 2013
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет».
Научный руководитель: кандидат технических наук, старший научный сотрудник Плотников Александр Александрович
Официальные оппоненты: Ибрагимов Александр Майорович доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный политехнический университет», заведующий кафедрой «Архитектура и графика»
Шехтер Феликс Львович кандидат технических наук, ОАО «ЦНИИПромзданий», старший научный сотрудник отдела «Ограждающие конструкции»
Ведущая организация: ГУП г. Москвы Управление по проектированию общественных зданий и сооружений «Моспроект-2» им. М.В. Посохина
Защита состоится «18» декабря 2013 г. в 12 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.138.04 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» по адресу: 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, ауд. 420 УЛК.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет».
Автореферат разослан « » 2013 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Каган Павел Борисович
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. В настоящее время в России, большинство территорий которой характеризуется долгой и продолжительной зимой, возведено и эксплуатируется достаточно большое количество общественных зданий с большепролетными светопрозрачными покрытиями атриума. Основное функциональное назначение таких конструкций – круглогодичная защита от погодных воздействий внутреннего пространства атриума и обеспечение естественного освещения примыкающих к нему помещений.
Результаты наблюдений показывают эффект снижения естественной освещенности в зимнее время за счет скопления снега на покрытии. Удаление снега при эксплуатации таких конструкций связано с разработкой дорогостоящих конструктивных решений (ходовых мостиков), использования технической оснастки и служб промышленного альпинизма, выделения дополнительных мощностей энергии для стеклопакетов с электрообогревом.
Кроме того, в действующих нормативных документах и методах расчетов, используемых в практическом проектировании светопрозрачных покрытий атриумных зданий, не существует однозначной ясности по поводу оценки расчетных величин снеговых нагрузок. В большинстве большепролетных светопрозрачных покрытий, возведенных в настоящее время в нашей стране, можно отметить значительный перерасход материала в несущих конструкциях.
Таким образом, теряется зрительная легкость и архитектурная эстетика, изначально предполагаемая в подобных сооружениях.
Решение указанных задач может быть найдено в результате комплексного исследования влияния снегового покрова на технические и функциональные характеристики светопрозрачных покрытий. До настоящего времени подобных системных исследований в нашей стране не проводилось.
Цель работы – разработка методики расчета снеговых отложений и периода их воздействия на светопрозрачные покрытия отапливаемых зданий атриумного типа для оценки естественного освещения и теплового режима рабочего пространства.
При выполнении работы необходимо было решить следующие задачи:
Провести натурные наблюдения на здании атриумного типа для изучения характера накопления и продолжительности нахождения снеговых отложений на различных участках кровельного остекления.
Провести натурные эксперименты процессов накопления и стаивания снежного покрова на поверхности кровельного остекления; определить светопропускающую способность снежного покрова.
Выполнить теоретические исследования процесса накопления и оттаивания снеговых отложений с поверхности остекления купола путем математического моделирования.
Обобщить результаты натурных и теоретических исследований и разработать рекомендации по рациональному проектированию конструкций светопрозрачных купольных покрытий отапливаемых зданий и их технической эксплуатации.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Путем натурных наблюдений и исследований изучен режим формирования снеговых отложений на светопрозрачных купольных покрытиях отапливаемых зданий.
Определена характерная схема распределения снеговых отложений по поверхности купольного покрытия в условиях снегопада и после его окончания с учетом максимальной толщины снега в различных зонах.
Предложена физическая модель процесса накопления, оттаивания и удаления снежного покрова с поверхности остекления.
Разработана методика расчета снеговых отложений и периода времени их нахождения на различных участках светопрозрачных покрытий отапливаемых зданий на основе численных расчетов нестационарного теплообмена с учетом теплоты фазовых переходов и переменной толщины снежного покрова.
Определено влияние снежного покрова на снижение пропускания видимого света стеклопакетом.
Практическая значимость работы заключается в использовании рекомендаций по проектированию и эксплуатации светопрозрачных купольных покрытий для г. Москва исходя из зимних условий эксплуатации.
Достоверность результатов работы подтверждается сравнением результатов численных и аналитических теоретических исследований с результатами натурных наблюдений и экспериментов; использованием существующих теорий теплопередачи через ограждающие конструкции, а также современных методов измерения и компьютерной техники.
Результаты исследований внедрены:
При реконструкции административного здания МИД РФ (г. Москва, Смоленская-Сенная площадь, д.32/34).
Апробация работы.
По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, в том числе работы, опубликованы в изданиях Перечня ВАК РФ.
Основные результаты диссертационной работы докладывались на:
- Тринадцатой международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство – формирование среды жизнедеятельности», Москва (2010 г.).
- Международной научной конференции «Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании» (2011 г.).
- НТС кафедры «Архитектура гражданских и промышленных зданий»
ФГБОУ ВПО «МГСУ» (2013 г.).
Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов по диссертации, библиографического списка использованной литературы из наименований. Работа имеет общий объём в 124 страницы машинописного текста, содержит 10 таблиц, 47 рисунков.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновываются актуальность и направленность работы, определяются цели и задачи исследований.
Первая глава посвящена описанию архитектурно-конструктивных решений светопрозрачных покрытий, особенностей их эксплуатации в зимних условиях, а также обзору проведенных исследований по влиянию снеговых отложений на работу кровельных покрытий (светопропускание, тепловой режим). Учитывая достаточно малый перечень опубликованных материалов непосредственно по светопрозрачным покрытиям, в качестве теоретической базы для исследований приведен также обзор соответствующих работ по непрозрачным покрытиям.
Основное функциональное назначение светопрозрачных покрытий в современных зданиях, кроме тепловой защиты, заключается в обеспечении естественной освещённости рабочих помещений, ориентированных окнами во двор атриума. При рациональном проектировании светопрозрачных покрытий и рациональной организации внутренних пространств атриумных зданий верхнее естественное освещение через покрытие позволяет свести к минимуму использование дневного искусственного освещения. Опыт эксплуатации атриумных зданий со светопрозрачными покрытиями в климатических условиях России показывает, что в зимний период:
– на большинстве светопрозрачных покрытий в зимнее время происходит временное накопление снеговых отложений, изморози или ледяной корки, которое приводит к частичной потере их светопрозрачности (Рис.1.);
– толщина снежного покрова и период времени его залегания на светопрозрачных покрытиях отапливаемых зданий существенно меньше, чем на непрозрачных покрытиях;
– наиболее популярные на сегодняшний день методы борьбы со снеговыми отложениями на светопрозрачных покрытиях зданий (использование электрообогреваемых стеклопакетов и механическое удаление) являются не всегда эффективными и экономически оправданными.
В настоящее время перечисленные особенности не отражены в существующих нормативных документах по проектированию светопрозрачных покрытий как отечественных, так и зарубежных.
Проблемами формирования снеговых отложений и снеговых нагрузок на покрытиях зданий посвящено большое количество исследований (работы Айзена А.М., Ротштейна Д.М., Дашкова А.Г., Виноградова О.Г., Кагана А.М., Кошутина Б.Н., Строкатова Б.П., Отставнова В.А., Розенберга Л.С., Лебедевой И.В., Пашинского В.А., Пичугина С.Ф. и др.).
Снеговой режим, а именно, изменение толщины снежного покрова и, соответственно, снеговые нагрузки исследованы в работах, выполненных Ледовским И.В., Павловым В.А., Кузнецовым Б.Н., Пиховкиным В.А.
Рис. 1. - Скопление снежного покрова на светопрозрачных покрытиях, приводящее к частичной потере их светопрозрачности. А) Горизонтальная стеклянная кровля т. ц. «Золотой Вавилон», г. Москва; Б) Стеклянный купол музея-квартиры им. А. С. Пушкина, г. Москва В перечисленных работах использована физическая модель, которая:
– не учитывает нестационарный ход процесса таяния снега;
– не учитывает сползание снега с поверхности на наклонных участках покрытия при подтаивании;
– не учитывает изменения теплофизических характеристик в системе «стеклопакет-снег» (теплообмена на контакте стекло-снег), а также зависимость термического сопротивления воздушной прослойки от угла наклона.
Для светопрозрачных покрытий, сопротивление теплопередаче которых значительно меньше, чем у непрозрачных покрытий, это является не совсем корректным.
светопропускающей способности снежного покрова от его толщины и плотности.
Очевидно, что проблема влияния снеговых отложений на работу светопрозрачных покрытий требует более детального изучения.
Вторая глава посвящена экспериментальным исследованиям работы светопрозрачных покрытий в зимних условиях.
Первая часть этих исследований включает в себя натурные наблюдения светопрозрачного купола административного здания МИД РФ (январь - март 2009 г., декабрь 2009 г. – март 2010 г.).
Натурные наблюдения показали, что характер распределения снеговых отложений на поверхности светопрозрачного купола изменяется со временем после снегопада. На поверхности стеклянных куполов необходимо различать несколько зон, на которых снег остается лежать после снегопада (рис. 2 и 3).
В зоне 1 – на пологих участках купола – снег, скопившийся после снегопада, остается лежать длительное время, вплоть до следующего снегопада. Причем уменьшение толщины снежного покрова в этой зоне происходит только до определенной величины.
В зоне 2 – на наклонных участках купола – снег лежит значительно меньшее время. Он будет скатываться в результате подтаивания.
В зоне 3 – нижней части купола – будет происходить скапливание снега, скатывающегося с более высоких участков.
На пологих участках купола (в зоне 1) даже при самых неблагоприятных условиях толщина снежного покрова не превышала 10 см. В нижней части купола (зоне 3) при этом скапливалось не более 20 см снега. В зоне 1 снег в зависимости от погодных условий, либо оставался лежать до следующего снегопада или полностью оттаивал. В зоне 2 снег периодически скатывался в результате подтаивания на границе снег-стекло. В нижней части купола снег оставался лежать, пока полностью не стаивал.
Рис. 2. Распределение снега и локальное льдообразование на светопрозрачном куполе административного здания МИД РФ Рис. 3. Модель распределения снегового покрова на куполе административного здания МИД, г. Москва Для более детального изучения процесса накопления снега на светопрозрачном покрытии в ходе снегопада и определения причин, вызывающих таяние снега, скапливающегося на поверхности кровельного остекления, были произведены также и натурные эксперименты на моделях.
Для проведения эксперимента в натурных условиях был возведен испытательный стенд, представляющий собой утепленную замкнутую камеру с регулируемой температурой внутри и кровлей из стеклопакетов с различным углом наклона (от 00 до 600) и сопротивлением теплопередаче R=0,35 м2К/Вт (см. рис. 4, 5). Натурные эксперименты проводились в период с ноября 2010 г. по март 2011 г. Стенд был возведен на отметке уровня земли с целью минимизации эффекта сдувания снега ветром.
В ходе наблюдений производились измерения температур, количества скапливающихся снеговых отложений, измерение уровня естественной освещенности, фотофиксация характера накопления и стаивания снега с различных участков остекления.
Было установлено, что накопление и стаивание снега происходит поразному на кровельном остеклении с различным уклоном по отношению к горизонту. При углах наклона кровельного остекления менее 150 на кровле будет гарантировано скапливаться снег, где он будет лежать достаточно длительное время. На участках остекления с углом наклона более процесс накопления снега носит циклический характер (рис.6).
Продолжительность нахождения снеговых отложений на поверхности остекления зависит от температуры наружного воздуха и, как следствие, от температуры на границе «остекление – снег». При переходе температуры через 0 0С снег оттаивает образуется водяная пленка и снег сползает.
Рис. 6. Процесс накопления снеговых отложений в ходе интенсивного снегопада на участках остекления с разным наклоном На этом же стенде были проведены экспериментальные исследования снижения показателя пропускания видимого света стеклопакетом при нахождении на нем снега. Базовый показатель пропускания видимого света однокамерным стеклопакетом с прозрачными стеклами при незаснеженной кровле tv = 0,8.
В ходе экспериментов установлено, что в случае нахождения на поверхности стеклопакета снега толщиной в 0,5 см пропускание видимого света составляет tv = 0,6. При толщине снежного покрова в 5 см пропускание видимого света системой «стеклопакет-снег» составляет tv = 0,4. При более толстом снежном покрове (от 5см до 15 см) этот показатель практически не уменьшается (см. рис. 7), что говорит о диффузном механизме пропускания снегом солнечного света.
Влияние угла наклона на теплозащитные характеристики стеклопакета было дополнительно исследовано в лабораторных условиях. Для этого был сооружен специальный стенд (см. рис. 8). Конструкция исследованного стеклопакета была принята аналогично стенду для натурных испытаний.
В ходе экспериментов производились измерения температур наружной и внутренней поверхности стеклопакета в центральной зоне при различных углах наклона. Затем, на основании полученных данных, вычислялось термическое сопротивление воздушной прослойки стеклопакета.
Общеизвестно, что при изменении угла наклона стеклопакета по отношению к горизонту, в нем происходит изменение процессов теплообмена (конвекция в воздушной прослойке, условия теплообмена у поверхностей, теплоотдача радиацией в сторону неба при чистой кровле). На стенде были проведены оценочные измерения термического сопротивления воздушной прослойки стеклопакета (см. таблицу 2), позволившие с достаточной долей точности учесть указанные особенности при построении физической и математической модели расчета системы «стеклопакет-снег»
Зависимость термического сопротивления воздушной прослойки однокамерного стеклопакета от угла его наклона Условные обозначения: R – термическое сопротивление воздушной прослойки стеклопакета с углом наклона к горизонту ;
Третья глава посвящена теоретическому исследованию процесса таяния снеговых отложений, скапливающихся на поверхности кровельного остекления.
Для рассмотрения этих процессов была предложена физическая модель таяния снега, согласно которой:
1. Светопрозрачное покрытие с лежащим на ней снежным покровом рассматривается как многослойная конструкция, состоящая из нескольких слоев:
- наружный воздух,-снежный покров, - стеклопакет,- внутренний воздух.
2. Температуры наружного Тн и внутреннего Тв воздуха не изменяются в течение всего процесса, причем температура наружного воздуха принимается равной среднесуточной, т.е. суточная амплитуда колебаний равна нулю.
3. Стеклопакет имеет термическое сопротивление Rсп и теплоемкость Ссп.
Теплофизические характеристики снега - теплопроводность сн и объемная теплоемкость Ссн - в процессе таяния не изменяются.
4. Процесс передачи тепла определяется только теплопроводностью с учетом фазовых переходов оттаивающего снега. Передача тепла изучением и конвекцией не учитывается.
5. В начальный момент времени температура снега, также как и температура наружной поверхности стеклопакета, задается равной температуре наружного воздуха, а начальная толщина снега задается исходя из метеорологических наблюдений.
6. Когда в процессе теплообмена температура на поверхности стеклопакета становится положительной, на участках с наклонной плоскостью снег мгновенно скатывается и поверхность стеклопакета снова охлаждается. На плоских участках толщина снежного покрова уменьшается за счет оттаивания части снега на контакте со стеклопакетом (рис 9).
Графическая иллюстрация физической модели таяния снега представлена на рис. 9.
Рис. 9. Изменения толщины снега на плоских участках.
На наклонных участках после этапа 3 снег скатывается Для рассмотрения этого процесса было использовано решение уравнения кондуктивной теплопроводности в энтальпийной форме, учитывающие введение зоны интенсивных фазовых переходов влаги, предложенное А. А. Плотниковым.
Уравнение в общем виде имеет следующий вид:
где Е – удельная энтальпия; – время; Сэф – эффективная теплоемкость, учитывающая теплоемкость материала и теплоту фазовых переходов материала; – коэффициент теплопроводности материала; Т –температура;
qx–скрытая теплота фазовых переходов.
С использованием данной физической модели были выполнены численные расчеты, при помощи которых были решены задачи по определению:
максимального количества снега, способного скопиться на поверхности кровельного остекления и не подтаивать (задача 1);
продолжительности нахождения снежных отложений на наклонных участках остекления (задача 2);
продолжительности таяния снежных отложений, скапливающихся на плоских участках кровельного остекления (задача 3).
Решение задачи 1 заключается в определении такой толщины снежного покрова, при которой система «стеклопакет-снег» будет находиться в стационарном состоянии. При этом имеет место равенство тепловых потоков в снеге Qсн и кровле Qос (граничное условие 2 рода).
Исходя из того, что таяние снега происходит лишь при температуре Т0=0 0С максимальную толщину снежного покрова, способную лежать на поверхности светопрозрачного покрытия и не подтаивать, можно определить по следующей формуле:
где С – коэффициент теплопроводности снега; RОС – сопротивление теплопередаче остекления; ТН – температура наружного воздуха; ТВ – температура внутреннего воздуха.
Для решения задач 2 и 3был использован программный комплекс «ТЕМРА» для решения теплофизических задач, позволяющий рассматривать систему «стеклопакет-снег» в нестационарных условиях теплопередачи.
Решение задачи 2 позволило определить продолжительность нахождения снеговых отложений на наклонных участках остекления.
Численные эксперименты показали, что снег будет стаивать с поверхности остекления только при относительно высоких зимних температурах наружного воздуха (-5 0С и выше) (см. рис. 10). При более низких температурах (-5…-15 0С) снег будет таять только в случае использования остекления с Rос< 0,35м2К /Вт.
Решение задачи № 3 позволило определить продолжительность таяния снеговых отложений на пологих участках кровельного остекления – участок 1, а также на тех участках, где снег не имеет возможности скатываться – участок 3. Численные эксперименты показали, что продолжительность нахождения снеговых отложений на поверхности остекления зависит от нескольких факторов:
Характеристики снега. При одинаковых условиях (Тн=-5 0С, Rсп=0,35(м2К)/Вт) таяние тяжелого снега (плотностью 350 кг/м3) в первые часы после снегопада будет происходить в 5-7 раз медленнее, чем в случае таяния легкого снега (плотностью 150 кг/м3);
«