• YouTube Social  Icon
  • Facebook Social Icon
  • Twitter Social Icon

 

© 1998-2019 Группа компаний «Спектрум»: Москва - Санкт-Петербург - Новосибирск - Берлин

Simulation of temperature conditions of structures

Моделирование теплообмена методом конечных элементов (МКЭ) выполняется для определения действительного распределения температур и тепловых потоков в строительных конструкциях и грунтах. В зависимости от учёта фактора времени, различают:

  • стационарные расчёты теплопроводности, в которых учитывается теплопроводность материалов, а граничные условия (температуры, тепловые потоки) принимаются постоянными во времени;

  • нестационарные расчёты теплопроводности, в которых учитывается не только теплопроводность, но и теплоёмкость материалов, а граничные условия изменяются во времени.

В нестационарных расчётах в результате учёта теплоёмкости, для изменения температуры на определённую величину требуется поглощение или отдача определённого количества тепловой энергии, а скорость передачи тепловой энергии зависит от теплопроводности и температурного градиента. Это позволяет определить время, необходимое на изменение температурного режима.

Таким образом, стационарные расчёты позволяют получить постоянный температурный режим, нестационарные расчёты позволяют воспроизвести изменение температурного режима во времени.

Расчёты температурного режима конструкций

 

Определение температурных полей в конструкциях требуется для учёта температурных воздействий в расчётах напряжённо-деформированного состояния (НДС). Изменение температуры материала приводит к изменению его объёма, что учитывается коэффициентом линейного расширения. В свою очередь, изменение объёма материала (например, одних слоёв относительно других) вызывает появление дополнительных температурно-обусловленных напряжений, которые определяются на основе распределения температурных градиентов в объёме конструкции.

В таких задачах, как расчёт сплошной однородной стены при постоянных температурах с обеих сторон, распределение температур по толщине конструкции будет линейным и не требует специального моделирования. Расчёты теплопроводности становятся необходимы, когда распределение температур в конструкциях не поддаётся аналитическому определению:

  • в конструкциях сложной геометрической формы, например, в массивных конструкциях;

  • когда граничные условия изменяются во времени, например, учёт сезонных температурных воздействий, или температурных воздействий пожара.

Полученное в расчёте теплопроводности температурное поле передаётся в расчёт напряжённо-деформированного состояния (однократно или многократно, как в случае нестационарного расчёта теплопроводности и поэтапного расчёта НДС). Таким образом, выполняется расчёт термоупругости, носящий мультифичичный характер.

 

Расчёты теплотехники и тепловых мостов

 

Энергоэффективное и ультраэнергоэффективное строительство становится все более востребованным. Энергосбережение рассматривается как необходимое условие устойчивого развития человечества и становится во всём мире приоритетной задачей инженерной работы.

Нормы по тепловой защите зданий имеют тенденцию к ужесточению. В России требования в этой сфере регламентированы СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий» (актуализированная редакция СНиП 23-02-2003). Возрастает рыночный спрос на энергоэффективность, которая решает задачи экономии природных ресурсов, снижения эксплуатационных затрат, повышения комфортности микроклимата помещений и комплексного уменьшения вредных воздействий на здоровье человека, что достигается за счёт комбинирования энергосберегающих технологий. В России построено порядка 300 зданий, относимых к классу А по энергоэффективности (экономия энергоресурсов 50% и выше).

К основным путям повышения энергоэффективности в строительстве относятся:

  • совершенствование тепловой защиты зданий, минимизация влияния тепловых мостов (температурных мостов, мостиков холода), уменьшение теплопотерь через грунт;

  • совершенствование управления микроклиматом помещений, включая внедрение вентиляционных технологий с рекуперацией теплоты.

Тепловые мосты, т.е. участки оболочки здания с пониженным сопротивление теплопередаче, обычно возникают в узлах стыка конструкций, где комбинируются элементы с разной теплопроводностью, а разделение теплопроводящего элемента неосуществимо по конструктивным соображениям. Определение действительной теплопередачи таких участков и разработка решений по повышению тепловой защиты выполняются на основе численного моделирования теплообмена.

Суть теплотехнического моделирования в воспроизведении конструкции без упрощений со всеми теплоизолирующими и теплопроводящими элементами, в том числе на основе композиционного моделирования бетона с самостоятельным воспроизведением бетона и арматуры, резко отличающихся по своим теплофизическим свойствам.

 

Теплофизическими характеристиками материалов, необходимыми для моделирования, являются:

  • коэффициент теплопроводности;

  • коэффициент теплоотдачи;

  • удельная теплоёмкость;

  • плотность.

Поскольку численное моделирование теплообмена представляет собой универсальный инструмент, позволяющей определить стационарные и нестационарные температурные поля и тепловые потоки при любых геометрических и теплофизических параметрах конструкций, оно становится главным инструментом при разработке современных теплотехнических решений.

Spectrum.logo.RU