CC BY
86
120
Общетехнические задачи и пути их решения
значениях групп факторов Фь Ф2, Ф8 определять ожидаемую величину
туч. Однако прогноз значений Фь Ф2, ..., Ф8 представляет собой отдельную и достаточно сложную задачу, решение которой выходит за рамки настоящего исследования.
Библиографический список
1. Управление эксплуатационной работой на железнодорожном транспорте :
учебник. В 2 т. Т. 2 / В. И. Ковалев, А. Т. Осьминин, В. А. Кудрявцев и др.; ред.
В. И. Ковалев и А. Т. Осьминин. - М. : Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте, 2011. - 440 с.
2. Управление эксплуатационной работой и качеством перевозок на железнодорожном транспорте : учебник для вузов / ред. П. С. Грунтов. - М. : Транспорт, 1994. -543 с.
3. Положение по отнесению задержек поездов на службы и хозяйства железных дорог и причины. Утверждено распоряжением первого веце-президента ОАО РЖД
B. Н. Морозова № 663 от 31.03.2009 г. и введено в действие с 01.04.2009 г.
4. Рациональное соотношение вместимости путей станций и вагонных парков с учетом увеличения доли приватных вагонов / А. Ф. Бородин, Е. А. Сотников // Железнодорожный транспорт. - 2011. - № 3. - С. 8-19.
5. Учет выполнения графика движения грузовых поездов / Г. А. Кузнецов,
C. В. Крашенинников, С. А. Свинин, И. К. Вагизов // Железнодорожный транспорт. -2011. - № 3. - С. 20-25.
УДК 699.86.022.3 А. В. Кузнецов
Петербургский государственный университет путей сообщения
ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ПОВЫШЕНИЮ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ КАЧЕСТВ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ПЛИТ ПЕРЕКРЫТИЙ В МОНОЛИТНО-КАРКАСНЫХ ДОМАХ
В статье описываются вопросы, связанные с климатическими изменениями, произошедшими в Санкт-Петербурге за последние 100 лет. Рассматриваются основные варианты решений ограждающих конструкций узлов сопряжения наружных стен с перекрытиями. Приводятся некоторые результаты натурных и расчётно-теоретических исследований, в ходе которых были выявлены теплотехнические дефекты. Даются способы повышения теплотехнических качеств ограждающих конструкций.
ограждающая конструкция, строительная теплофизика, энергоэффективность зданий, теплотехнические дефекты зданий, температурный перепад, повышение теплотехнических качеств ограждающих конструкций.
2011/4
Proceedings of Petersburg Transport University
Общетехнические задачи и пути их решения
121
Введение
За последнее столетие среднегодовая температура по земному шару повысилась на 0,6 °С [1]. За это время изменились и климатические параметры в Санкт-Петербурге. Начиная с 1980-х гг. наблюдается интенсивное повышение среднегодовой глобальной температуры воздуха. Это привело к тому, что продолжительность зимнего периода за указанный промежуток времени сократилась на 13 дней по сравнению с первой половиной ХХ в., главным образом за счёт более раннего наступления весны. Сдвиг конца зимы произошел в сторону более холодной части года, начало зимнего периода осталось неизменным. Зимы в районе Санкт-Петербурга стали холоднее [2].
В связи с этим ставится вопрос об энергоэффективности жилого фонда, возведённого в Санкт-Петербурге с конца 1990-х гг. с применением монолитно-каркасной технологии. В домах такого типа, как правило, конструктивная система является перекрёстно-стеновой. Многовариантность конструктивных решений ограждающих конструкций в таких зданиях [3], [4] и проводимые исследования говорят о том, что не всегда выдерживается требуемый уровень температурно-влажностного режима, который оказывает существенное влияние на комфортность условий для проживающих.
1 Анализ конструктивных решений монолитно-каркасных зданий
Возводимые в Российской Федерации монолитно-каркасные здания с перекрёстной стеновой системой обладают большим разнообразием конструктивных решений, что наиболее актуально для узла сопряжения наружных стен здания со стеной, т. к. в теплотехническом отношении данное место является наиболее уязвимым. На рисунке 1 приводятся основные варианты ограждающих конструкций наружных стен и перекрытий, получившие широкое распространение в строительной практике. Рассматриваемые варианты узлов сопряжения монолитного железобетонного диска перекрытия со стеной решаются разными способами. На рисунке 1, а показано конструктивное решение, заключающееся в наличии поэтажных выпусков монолитной плиты перекрытия по всей плоскости наружной глади стены.
Для данного случая консольные выпуски железобетонной плиты перекрытия выполнены размерами 0,25*0,18 м с шагом 1,0 м. На рисунке 1, б диск перекрытия в сечении представляет собой со стороны торцевой части «зуб» - выступающую часть, выходящую на фасадную часть здания. Высота «зуба» составляет 0,08 м, западающая часть диска перекрытия высотой 0,1 м закрывается слоем наружной кирпичной кладки. В заранее подготовленные отверстия укладываются термовкладыши размерами 0,25*0,1*0,18 м и шагом 0,15 м. От наружной грани перекрытия пенополистирольные вкладыши отстоят на расстоянии 0,22 м.
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2011/4
122
Общетехнические задачи и пути их решения
Рис. 1. Основные типы узлов сопряжения наружной стены здания с диском перекрытия: а - фасадные выпуски диска перекрытия без утеплителя; б - диск перекрытия с подсечкой в виде «зуба» и перфорацией под утеплитель; в - диск перекрытия с перфорацией под термовкладыши; г - диск перекрытия без утеплителя; д - ограждающая конструкция наружных стеновых панелей с вентилируемой
прослойкой ДСК «Славянский»;
1 - кладка из керамического кирпича; 2 - ячеистый бетон; 3 - диск перекрытия;
4 - теплоизоляционный материал
Приведенные на рисунке 1, в, г конструктивные решения представляют собой диск перекрытия, торцовая часть которых полностью выходит на фасадную сторону здания. Отличия заключаются в наличии или отсутствии термовкладыша в толще ограждающей конструкции перекрытия. Другой тип ограждающей конструкции, рассмотренный на рисунке 1, д, впервые был применён в жилых зданиях в одном из населённых пунктов Ленинградской области. Данный тип характерен тем, что наружная ограждающая конструкция стены представляет собой панель, состоящую из деревянного каркаса и заполненную теплоизоляционным материалом.
2011/4
Proceedings of Petersburg Transport University
Общетехнические задачи и пути их решения
123
2 Сопоставление натурных исследований с расчётно-теоретическими
2.1 Конструктивные особенности ограждающей конструкции
В настоящей работе представлены результаты исследований, касающиеся наиболее типичных решений.
В качестве такого решения в исследовании была выбрана конструкция, показанная на рисунке 1, в, представляющая собой узел сопряжения наружной стены с диском перекрытия. Наружная стена являет собой однородную трёхслойную ограждающую конструкцию, в которой наружный слой стены облицован кирпичом толщиной 0,12 м. В качестве конструкционно-теплоизоляционного материала применялся слой кладки из газобетонных блоков плотностью D = 400 кг/м и толщиной 0,4 м. Внутренний слой штукатурки принят толщиной 0,02 м. Общая толщина конструкции стены составила 0,54 м.
2.2 Результаты натурного обследования здания
Исследования проводились в два этапа. На первом этапе была выполнена оценка температурно-влажностного режима в ряде квартир многоэтажного монолитно-каркасного жилого дома с рассмотренными выше конструктивными решениями ограждающих конструкций.
При обследовании жилого дома были произведены температурные замеры наружного и внутреннего воздуха, построены температурные поля плит перекрытий и определена относительная влажность воздуха. Средние значения замеров наружной и внутренней температуры и влажности внутри помещения соответственно составили:
text = -18,2 °С; tint = 19,75 °С; 9int = 21,08 %.
Цикл натурных исследований включал в себя определение температурных полей на поверхности диска перекрытия на участках, являющихся потолком и полом. Рассматриваемый конструктивный узел представлен на рисунке 2. Причём на рисунке 2, а показано сечение ограждающей конструкции без утеплителя, на рисунке 2, б - с утеплителем.
В результате выполненных экспериментальных исследований при указанных выше значениях параметров внутреннего микроклимата и температуры наружного воздуха было установлено следующее: в местах сопряжения диска перекрытия с внутренней гранью стены, где плита является потолком, величина минимальной температуры составляла 11,0 °С, при этом максимальная температура не превышала 17,9 °С (см. рис. 2). Полное выравнивание температур до требуемых 18 °С для нижней поверхности плиты перекрытия (потолка) достигалось на удалении свыше 1,0 м от внутренней грани стены (на графике данный диапазон условно не показан). Указанное значение попадает в требуемый диапазон по температурному перепаду для перекрытий, равному 2 °С [5].
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2011/4
124
Общетехнические задачи и пути их решения
При обследовании монолитной плиты перекрытия при тех же параметрах микроклимата в той части, где плита является полом, было выявлено следующее: в местах сопряжения диска перекрытия с
внутренней гранью стены величина минимальной температуры составила 10,5 °С, максимальной 14,0 °С. Требуемые параметры температуры для верхней поверхности плиты перекрытия (пола) достигаются также на расстоянии свыше 1,0 м от внутренней грани стены. При этом значения температур различаются друг от друга на десятые доли градуса.
Анализ полученных экспериментальных данных распределения температур по поверхности монолитной ж.-б. плиты перекрытия свидетельствует о том, что распределение температур носит переменный характер. Для ряда зон на поверхности плиты перекрытия температурный перепад по санитарно-гигиеническим требованиям превышает 2 °С, что приводит к температурному дискомфорту проживающих, смещению точки росы к внутренним частям ограждающей конструкции т. е. к образованию конденсата на горизонтальных и вертикальных плоскостях.
2.3 Результаты расчётно-теоретических исследований
На втором этапе было проведено расчётно-теоретическое исследование, в котором моделировались варианты конструктивных решений с различными значениями теплотехнических характеристик. При выполнении расчётно-теоретических исследований за основу была взята конструкция стены, представленная на рисунке 1, в, для который были приняты следующие параметры:
О- - коэффициент теплообмена у наружной и внутренней поверхности ограждающей конструкции;
X - коэффициент теплопроводности материалов;
8 - толщина монолитной ж.-б. плиты перекрытия.
Настоящий расчёт производился из условий стационарного теплового режима и выполнялся с помощью модуля HSTAR на основе программного комплекса COSMOS/M. В поставленную задачу входил анализ температурных полей на поверхности конструкции.
Для этого в объёмной или плоской области модели задавались необходимые температурные параметры. Их решение описывается дифференциальным уравнением Лапласа:
д
х
(
дТ_
дх
д
+ — У
(
V
дТ_
ду
д
+ — x
(
дТ_
дz
= 0,
(1)
где Т - функция распределения температур зависящая от координат;
кх, ку, kz - коэффициенты теплопроводности по направлениям соответствующих координат.
В таблице 1 приводятся характеристики материалов, принятые при расчёте.
2011/4
Proceedings of Petersburg Transport University
Общетехнические задачи и пути их решения 125
ТАБЛИЦА 1. Характеристики материалов, принятых к расчёту
№ п/п Наименование материала Плотность Y, кг/м3 Удельная теплоёмкость С0, кДж/(кг °С) Теплопроводность ХБ , Вт/(м-°С) Теплоусвоение SБ, Вт/(м2 °С) Толщина 5, м
1 Кирпич 1800 0,88 0,81 10,12 0,12
2 Газобетон 400 0,84 0,13 1,95 0,4
3 Штукатурный раствор 800 0,84 0,21 3,66 0,012
4 Железобетон 2500 0,84 2,04 18,95 0,2
5 Полистирол 100 1,34 0,052 0,82 0,2
На рисунке 2, а показан график распределения температуры в сечении без утеплителя. Температуры нижней и верхней поверхностей диска перекрытия в зонах, где внутренняя грань стены сопрягается с перекрытием, составили соответственно 11,9 °С и 10,05 °С. На расстоянии 1,0 м от внутренней поверхности стены температуры для нижней и верхней граней диска перекрытия составили соответственно 18,15 °С и 18,85 °С.
а) б)
Рис. 2. Сопоставление результатов натурных и расчётных исследований: а - в сечении без утеплителя; б - в сечении по утеплителю;
1 - распределение температур, полученное при натурных испытаниях;
2 - распределение температур, полученное при расчётных исследованиях
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2011/4
126
Общетехнические задачи и пути их решения
На рисунке, 2, б представлен график распределения температуры в сечении с утеплителем. Температуры нижней и верхней поверхностей диска перекрытия в зонах, где внутренняя грань стены сопрягается с перекрытием, составили соответственно 12,1 °С и 12,05 °С. На расстоянии 1,0 м от внутренней поверхности стены температуры для нижней и верхней граней диска перекрытия составили соответственно 18,3 °С и
18,1 °С.
Результаты расчёта свидетельствуют о том, что требуемый уровень температурного перепада на нижней (потолок) и верхней (пол) плоскостях диска перекрытия для варианта без утеплителя достигается на расстоянии 0,7 и 0,55 м; для варианта с утеплителем необходимый уровень достигается на удалении 0,88 и 0,42 м.
2.4 Анализ полученных результатов исследований
Полученные результаты являются завышенными по сравнению с экспериментальными данными. По-видимому, такое расхождение вызвано целым рядом допущений при построении модели, так как в расчёте использовались строго нормируемые климатические и теплотехнические параметры. При этом не учитывалась роль отопительных приборов, изменчивость температуры и тепловых потоков внутри помещений - различная по этажам теплопроводность строительных материалов, фактические коэффициенты теплообмена на поверхностях ограждающих конструкций, скорость ветра, относительная влажность и прочие физические параметры.
Для обоих случаев (см. рис. 2, а, б) на поверхности верхней части диска перекрытия (пол) экспериментальные и расчётные значения кривых распределения температур на удалении 1,0 м от внутренней грани стены составляли более 4 °С. Сравнивая температурные значения для случая, когда нижняя грань диска перекрытия является потолком (рис. 2, а, б), можно заметить, что для кривых 1 и 2 эти различия для вариантов без утеплителя и с утеплителем были в пределах 1-2 °С. Полученное расхождение обусловлено конвекцией воздуха и нестационарными условиями в помещении.
3 Предлагаемые способы тепловой защиты зданий
Для повышения теплозащитных качеств рассматриваемой конструкции предлагается ввести металлический каркас тропециевидной формы, прикрепляемый с наружной стороны фасада и закрывающий торцевую часть диска перекрытия. Внутри каркаса предлагается расположить теплоизоляционный материал.
2011/4
Proceedings of Petersburg Transport University
Общетехнические задачи и пути их решения
127
Другим решением может быть способ, позволяющий с помощью саморегулируемых кабелей, заключённых в кожух со стороны фасада, создать дополнительный обогрев диска перекрытия, чтобы исключить возникновение конденсата со стороны внутренних поверхностей ограждающих конструкций. Оценка рассматриваемых решений показала эффективность предложенных мероприятий.
Заключение
1. Для рассматриваемого типа конструктивного узла установлено, что зона температурного перепада в точке сопряжения внутренней грани стены с диском перекрытия составляет более 2 °С.
2. Расчетно-теоретические и экспериментальные исследования под-твеждают, что рассматриваемый тип конструктивного узла не обеспечивает по санитарно-гигиеническим требованиям необходимую температуру в жилых помещениях.
3. Для повышения теплозащитных качеств рассматриваемого решения узла предлагается проведение следующих мероприятий: введение дополнительных теплозащитных элементов или саморегулируемых кабелей.
Библиографический список
1. О влиянии урбанизации на оценки глобального потепления / П. Я. Гройссман, В. В. Кокнаева // Метеорология и гидрология. - 1991. - Вып. 9. - С. 129.
2. Некоторые климатические характеристики Санкт-Петербурга в эпоху глобального потепления / Л. Н. Карлин, Ю. В. Ефимова, А. В. Никифоров // Ученые записки РГГМУ. - 2005. - № 1.
3. РМД 52-01-2006. Проектирование и возведение ограждающих конструкций жилых и общественных зданий с применением ячеистых бетонов в Санкт-Петербурге. Региональный методический документ. - Электрон. версия печатной публ. - Электрон. дан. и прогр. -М. : Гарант, [2005]. - Жесткий диск. Сист. требования: Pentium 100 МГц; Microsoft Windows XP (русифицир.); 1 Gb; CD-ROM; Microsoft Word 2000; Microsoft Internet Exploer 6.0+
4. Современные многоэтажные здания на основе сборно-монолитных каркасов -залог эффективности предприятий стройиндустрии / А. И. Мордич, В. Н. Белевич // Международная конференция по производству бетона и сборных бетонных конструкций. 18-20 мая 2005 г. «ICCX St.-Petersburg 2005». - СПб., 2005. - C. 127-130.
5. СНиП 23-02-2003. Тепловая защита зданий. - Электрон. версия печатной публ. -Электрон. дан. и прогр.- М. : Гарант, [2005]. - Жесткий диск. Сист. требования: Pentium 100 МГц; Microsoft Windows XP (русифицир.); 1 Gb; CD-ROM; Microsoft Word 2000; Microsoft Internet Exploer 6.0+
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2011/4
