Multifizikālā modelēšana

Norobežojošo konstrukciju raksturlielumu, ēku energopatēriņa un telpu mikroklimata multifizikālā modelēšana

Mitruma dinamika saliktās būvkonstrukcijās Latvijas klimatiskajos apstākļos

Modelējamo stendu norobežojošo konstrukciju un testēšanas apstākļu īss apraksts

Kopumā tiek pētīti 5 stendi ar atšķirīgu ārsienu uzbūvi, bet vienādiem pārsegumiem (grīdu, griestiem), logiem, durvīm, kā arī vienādām apkures, dzesēšanas un ventilācijas, sistēmām, kas integrētas vienā iekārtā - gaisa siltumsūknī.

Visi stendi ir vienādi orientēti vidē un to norobežojošo konstrukciju aprēķina siltuma caurlaidības U ir aptuveni vienādas – U=0,15 – 0,16 W/m²K. Visiem stendiem ir ventilējamas ārsienu apdares, kā arī ventilējama pagrīde un bēniņi, tādējādi praktiski tiek izslēgta lietus un solārā starojuma tieša iedarbība uz norobežojošajām konstrukcijām. Stendu grīdas laukumi – 9 m², iekštelpu gaisa tilpumi – 27 m².

Konstrukcijās ir izmantoti būvmateriāli ar

dažādu īpatnējo siltuma ietilpību c_p, ko bieži tuvināti raksturo uzdodot būvkonstrukcijas laukuma vienības svaru (kg/m²). Vismazākā siltuma ietilpība ir stendam, kas izveidots no saliekamiem finiera moduļiem ar minerālvates pildījumu, vislielākā – ārsienai, kas veidota no lielgabarīta keramiskajiem blokiem;
dažādām ūdens tvaiku caurlaidības īpašībām, ko raksturo ar tvaiku difūzijas ekvivalentu gaisā µ (m). Vislielākā tvaiku caurlaidība ir minerālvatei (µ = 1), vismazākā – prettvaiku barjerai (plēvei);
atšķirīgu siltuma vadītspēju λ (W/m·K) un tās atkarību no mitruma un temperatūras. Kokskaidu un minerālvatei šīs atkarības ir visizteiktākās, būtiski siltuma vadītspēja ar mitrumu mainās arī putubetonam (vieglbetonam), bet relatīvi vāji šī atkarība ir izteikta blīvajiem materiāliem – apmetumam, keramikai).

Tādējādi gaidāms, ka pat pie vienādām būvkonstrukciju aprēķina siltuma caurlaidībām U un pārējiem apstākļiem, dažādo stendu energopatēriņš mainīgos āra klimatiskajos apstākļos var savā starpā atšķirties un atšķirties arī no atbilstoši MK noteikumiem Nr. 39 (2009) ar sezonas metodi aprēķinātajām vērtībām.

Pašreizējā pārejas procesu būvkonstrukcijās pētījumu posmā visu stendu iekšpusē ir uzstādīta vienādu temperatūras apstākļu un ventilācijas intensitātes (gaisa apmaiņas) automātiska uzturēšana. Gaisa mitruma režīms telpās netiek papildus regulēts – tas veidojas āra gaisa un būvkonstrukciju mitruma ietekmes rezultātā.

Būvkonstrukciju varianti un to slāņu raksturlielumi (slāņi sakārtoti no ārpuses uz iekšpusi).

Konstrukcija	1. slānis	2. slānis	3. slānis	4. slānis	5. slānis
PLY U=0,14 79 kg/m²	Saplāksnis d=2 λ=0,17 c=1500	Akmens vate d=20 λ=0,036* c=850	Saplāksnis d=2 λ=0,17 c=1500	Fibrolīts d=7,5 λ=0,068 c=2100	Kaļķu apm. d=1,5 λ=0,49 c=840
AER U=0,14 165 kg/m²	Pretvēja plāksne d=3 λ=0,034 c=850	Akmens vate d=5	Kaļķu apm. d=1,5	Putu betona bloki d=37,5 λ=0,072 c=850	Kaļķu apm. d=1,5
LOG U=0,14 152 kg/m²	Frēzbaļķis d=20 λ=0,13 c=2100	Akmens vate d=20	Tvaiku barjera/ Frēzbaļķis d=4	Koka apdare d=4 λ=0,13 c=2100
CER U=0,14 363 kg/m²	Pretvēja plāksne d=3	Akmens vate d=12	Kaļķu apmetums d=1,5	Keramiskie bloki d=44 λ=0,129 c=850	Kaļķu apm. d=1,5
Griesti U=0,16 20 kg/m²	Saplāksnis d=1,2	Koka skaidu vate d=20 λ=0,036 c=850	Saplāksnis d=0,4	Akmens vate d=5	Tvaiku barjera saplāksnis d=0,4
Grīda U=0,16 41.5kg/m2	Saplāksnis d=2,1	Akmens vate d=20	Tvaiku barjera/ saplāksnis d=2,1	Akmens vate d=5	Saplāksnis d=2,1
Logs	U=0,72, rāmja daļa 0,28, laukums 1,8 m², solārā starojuma enerģijas caurlaidība g=0,5, dienvidu pusē
Durvis	U=0,82, rāmja daļa 0,44, laukums 2,0 m², ziemeļu pusē

*- šeit visur norādītas siltuma vadītspējas vērtības sausā stāvoklī, bet aprēķinā tiek ņemta vērā to atkarība no mitruma
Mērvienības: U=[(m²K)], d=[cm], λ=[W/(m·K)], c=[J/(kg·K)].

Klimatisko apstākļu uzdošana

Lai skaitliski analizētu būvkonstrukciju siltuma caurlaidības īpašības un to izmaiņas, kā arī kondensāta rašanās riskus ilgtermiņā, tika izmantoti www.meteo.lv ilggadīgo novērojumu dati par klimatiskajiem apstākļiem Rīgā (āra gaisa temperatūru, mitrumu u.c.). Lai samazinātu atsevišķu gadu noviržu no klimatiskās normas ietekmi uz veicamās analīzes rezultātiem, katras stundas mērījumu dati tiek vidējoti laika periodā no 2006.-2011. gadam, tādējādi iegūstot attiecīgā periodu stundu vidējos datus.

Vidējotās āra gaisa temperatūras un relatīvā mitruma izmaiņas gada ciklā Rīgā

Attēli uzskatāmi parāda, ka vidējā maksimālā temperatūra (aptuveni 25°C) tiek sasniegta jūlijā un augustā, bet zemākā (aptuveni -8°C) – janvārī un februārī, tomēr katrā atsevišķā gadā šie temperatūras ekstrēmi var būt vairāk vai mazāk izteikti. Līdzīgi arī āra gaisa vidējais relatīvais mitrums vairāk nekā 6 mēnešus gadā pārsniedz 80%, bet vidējā relatīvā mitruma minimums vērojams aprīļa beigās, kad tas samazinās līdz 30%.

Jāievēro, ka relatīvais mitrums neraksturo absolūto ūdens tvaiku daudzumu gaisā, bet gan tikai to, cik tuvu dotajā temperatūrā ūdens tvaiku daudzums gaisā ir piesātinātam stāvoklim (100% relatīvais mitrums), kad notiek kondensācija. Piem., pie 80% gaisa mitruma un temperatūras -8°C absolūtais ūdens daudzums gaisā ir 2 g/m³, bet pie 25°C – 18,4 g/m³. Pie iekštelpu temperatūras 18°C un gaisa mitruma 50% absolūtais ūdens daudzums gaisā ir 7,7 g/m³ - termiskā komforta nodrošināšanai šie parametri telpās ilgstoši (sezonāli) ir jāuztur pēc iespējas nemainīgi.

Ievērojot teikto ziemā dominē siltuma un ūdens tvaiku plūsma caur būvkonstrukcijām uz āru, bet vasaras periodā tā ir inversa – siltums un ūdens tvaiki var pārvietoties caur būvkonstrukcijām no ārpuses uz iekšpusi. Atšķirīga ir situācija caurspīdīgajās konstrukcijās (stiklojumos) – Saules starojums var papildus uzsildīt telpu gan aukstajā, gan siltajā gada laikā, bet mitruma apmaiņas caur stiklojumu praktiski nav. Mitruma apmaiņu starp iekštelpu un āra gaisu nodrošina arī ventilācija, piem., ziemā telpā ieplūstošais āra gaiss parasti ir ar mazu absolūto ūdens daudzumu. Tādēļ gaisa apmaiņas intensitāte ir būtiska pētot gan gaisa mitrumu telpā, gan tā izmaiņas būvkonstrukcijās.

Apstākļu uzdošana telpās modeļa analīzei

Temperatūras un relatīvā mitruma sadalījumu izmaiņas stendu būvkonstrukcijās gada ciklā

Turpmākajos dinamiskajos 1D aprēķinos, izmantojot āra temperatūras un mitruma svārstību vidējotos gada ciklus Rīgā, tiek analizēti relatīvā mitruma un temperatūras sadalījumi dažādajās testēšanas stendu būvkonstrukcijās – no atšķirīgiem materiāliem veidotajās ārsienās un pārsegumos. Tiek pieņemts, ka iekšā gaisa temperatūra un relatīvais mitrums ir nemainīgi visu gadu: attiecīgi +18°C un 50%. Tā kā apstākļi ārā un būvkonstrukciju siltuma vadītspēja laikā to mitruma izmaiņu dēļ mainās, tad

aprēķins ir dinamisks – katrā laika momentā veidojas atšķirīgi temperatūru un mitruma sadalījumi;
vasarā un ziemā sadalījumi atšķiras ne tikai kvantitatīvi, bet arī kvalitatīvi.

Attēlojums grafikos ir šāds:

norobežojošās konstrukcijas ārējā virsma ir iezīmēta ar „-” (pa kreisi), bet iekšējā virsma ar „+” (pa labi);
temperatūras un relatīvā mitruma sadalījumi būvkonstrukcijās parādīti attiecīgi ar sarkanām un zaļām līknēm. Ar atsevišķu līkni izcelts laika moments, kad dinamiskajā procesā āra temperatūra ir 0°C (jānorāda, ka sadalījums šajā gadījumā nesakrīt ar stacionāra aprēķina rezultātu pie fiksētas 0°C āra gaisa temperatūras);
iekrāsotie (sarkanie un zaļie) apgabali grafikos parāda, kādā diapazonā attiecīgajā būvkonstrukcijā var svārstīties temperatūra un mitrums gada ciklā un tādējādi ļauj novērtēt arī kondensāta rašanās riskus.

Aprēķinos izmantota komerciāla programmatūra WUFI.