ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ДРЕВЕСНО-ЦЕМЕНТНЫХ КОМПОЗИТОВ Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 666.973.2

Хвойные бореальной зоны. 2021. Т. XXXIX, № 4. С. 294-299

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ДРЕВЕСНО-ЦЕМЕНТНЫХ КОМПОЗИТОВ

С. Н. Долматов, П. Г. Колесников

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газеты «Красноярский рабочий», 31

E-mail: pipinaskus@mail.ru

Задача сокращения энергопотребления и затрат на эксплуатацию зданий и сооружений является предпосылкой для разработки энергосберегающих технологий и материалов. Повышение энергоэффективности достигается при уменьшении потерь тепла через ограждающие конструкции. Технология производства древесно-цементных композиционных материалов имеет большое значение с инженерной точки зрения, а также как технология утилизации древесных отходов, имеющая экологическую привлекательность. В ходе исследований определялись удельные потери тепла через ограждающую конструкцию и термическое сопротивление ограждающей конструкции из древесно-цементного композита в виде опилкобетона и арболита, а также влияние на показатели тепловой эффективности наличия в массиве стены изолированных воздушных полостей и включений из экструзионного пенополистирола. Исследование проводилось с применением программного пакета Elcut. Полученные величины удельных потерь теплоты расчетной конструкции составляют от 19,5 до 51 Вт/(м2 ■°С), величина сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции 1,07 до 2,9 (м2 °С)/Вт показатели зависят от условий эксплуатации и варианта исполнения (цельное тело конструкции, воздушные полости либо вставки из экструзионного пенополистирола). Полученные результаты могут быть использованы при проектировании и эксплуатации строительных конструкций.

Ключевые слова: древесно-цементная композиция, арболит, опилкобетон, удельные потери теплоты, сопротивление теплопередаче, эксперимент, тепловая эффективность.

Conifers of the boreal area. 2021, Vol. XXXIX, No. 4, P. 294-299

RESEARCH OF THERMAL EFFICIENCY OF FENCING STRUCTURES FROM WOOD-CEMENT COMPOSITESS

S. N. Dolmatov, P. G. Kolesnikov

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarskii rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: pipinaskus@mail.ru

The task of reducing energy consumption and operating costs of buildings and structures is a prerequisite for the development of energy-saving technologies and materials. Increased energy efficiency is achieved by reducing heat loss through the building envelope. The technology for the production of wood-cement composite materials is of great importance from an engineering point of view, as well as a technology for the disposal of wood waste, which has environmental attractiveness. In the course of the research, the specific heat losses through the enclosing structure and the thermal resistance of the enclosing structure made of wood-cement composite in the form of sawdust concrete and ar-bolite were determined, as well as the influence on the thermal efficiency of the presence of isolated air cavities and inclusions from extruded polystyrene foam in the wall massif. The study was carried out using the Elcut software package. The obtained values of the specific heat losses of the design structure are from 19.5 to 51 W / (m2 • ° С), the value of the heat transfer resistance of the enclosing structure is 1.07 to 2.9 (m2 • ° С) / W, the indicators depend on the operating conditions-atation and version (one-piece body of the structure, air cavities or inserts from extruded polystyrene foam). The results obtained can be used in the design and operation of building structures.

Keywords: wood-cement composition, wood concrete, sawdust concrete, specific heat loss, resistance to heat transfer, experiment, thermal efficiency.

ВВЕДЕНИЕ

Промышленное и гражданское строительство потребляет значительные объемы строительных конструкционных и теплоизоляционных материалов. Рост стоимости энергоносителей остро ставит вопрос

о снижении потребления энергии на отопления жилых и производственных зданий. Рациональное расходование энергии достигается путем применения современных материалов и реализации высокоэффективные конструктивных решений на стадии проектиро-

вания, возведения и последующей эксплуатации зданий и сооружений [1; 2]. В условиях резко континентального климата Восточной Сибири при экстремально низких температурах зимой стены зданий и сооружений должны обеспечить сохранения тепла в здании, а в летнее время - изолировать помещения от проникновения высоких температур. При обеспечении высоких показателей теплоизоляции наружных стен повышается температура их внутренней поверхности. Это улучшает санитарное состояние объекта, улучшает микроклимат. При температуре внутри помещения +20 °С температура поверхности стен должна быть не менее +19 °С, а в углах наружных стен - 14-15 °С, поэтому даже при повышении влажности воздуха на стенах не образуется конденсат. Помимо повышения комфорта объекта и улучшения его микроклимата, существует реальная экономическая эффективность от снижения затрат на электроэнергию и тепло, необходимое для отопления объектов строительства [3].

Целью исследований является определение термического сопротивления ограждающей конструкции из древесно-цементного композита (ДЦК)

Для достижения цели следует решить следующие задачи:

- провести анализ методов определения термического сопротивления ограждающей конструкции из древесно-цементного композита (ДЦК);

- определить методами имитационного моделирования термическое сопротивление ограждающей конструкции из ДЦК;

- исследование влияния наличие воздушных полостей в теле ограждающей конструкции на показатели термического сопротивления

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

ИССЛЕДОВАНИЙ

Приведенное сопротивление теплопередаче наружной ограждающей конструкции здания представляет собой основную теплозащитную характеристику наружного ограждения, в основу расчета которого положена усредненная по площади плотность теплового потока, проходящего через ограждение в расчетных условиях эксплуатации.

Рассматривая показатели эффективности теплоизоляции стен из различных материалов следует опираться на требования определенных нормативных документов. Определение теплопроводности материалов производится согласно ГОСТ 7076-99 [4]. Сущность метода заключается в создании стационарного теплового потока, проходящего через плоский образец определенной толщины и направленного перпендикулярно к лицевым (наибольшим) граням образца, измерении плотности этого теплового потока и температуры противоположных лицевых граней.

Определение сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций производится по ГОСТ Р 54853-2011 [5]. Стандарт нормирует метод определения сопротивления теплопередаче на основе создания в ограждающей конструкции условий стационарного теплообмена и измерении температур внутреннего и наружного воздуха, температур поверхностей ограж-

дающей конструкции, а также плотности теплового потока, проходящего через нее.

Эти методы имеют определенные неудобства и ограничения, такие как необходимость наличия дорогостоящей тепловой камеры, длительность процесса наблюдений, необходимость установки и монтажа проверяемой конструкции, блока или кладки, затруднение получения стационарного теплового потока в реальных условиях, влияние местных неоднородно-стей, ограниченного числа измерительных датчиков.

Для определения показателей тепловой эффективности в процессе исследования, использовался программный продукт ЕкШ, принцип работы которого основан на методе конечных элементов.

Объектом исследования являлось определение показателей тепловой эффективности ограждающей конструкции из двух вариантов древесно-цементных композитов. Первый вариант представлял собой опил-кобетон, второй - арболит, изготовленный на основе древесной щепы - дробленки. Расчет приведенного сопротивления теплопередаче основан на представлении фрагмента теплозащитной оболочки в виде набора независимых элементов, каждый из которых влияет на тепловые потери через фрагмент. Удельные потери теплоты, обусловленные каждым элементом, находятся на основе сравнения потока теплоты через узел, содержащий элемент, и через тот же узел, но без исследуемого элемента.

В нормативном документе [6] описан способ определения приведенного сопротивления теплопередаче теплозащитной оболочки здания, основанный на расчете температурных полей с использованием компьютерных программ.

Расчет удельных потерь теплоты через элементы ограждающей конструкции содержит следующие части:

- схему элемента;

- температурное поле;

- принятые в расчете температурного поля температуры наружного и внутреннего воздуха;

- минимальную температуру внутренней поверхности конструкции и поток теплоты через узел.

Коэффициент теплопередачи однородной /'-той части фрагмента теплозащитной оболочки здания (удельные потери теплоты через плоский элемент '-го вида), и/, определяется по формуле

и] =—, Вт/(м2 • С0), (1)

' щсл V г

где ЯУ™ - условное сопротивление теплопередаче /-го элемента, (м2-°С)/Вт. Определяется по формуле

Щсл = — + Т^ +—, (м2 • С0)/Вт, (2)

а Ь/ а Ье

где Яь - термическое сопротивление однородной части фрагмента, (м2-°С)/Вт; аЬ/ - коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждения, Вт/(м2-°С); - коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждения, Вт/(м2-°С),

Rs =±

s X s

(3)

где X^ - коэффициент теплопроводности материала, Вт/(м2-°С); - толщина слоя материала, м.

Затем необходимо проверить выполнение условия

R. > Rн

(4)

где Rjj^ - нормируемое значение приведенного сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции, (м2 -°С)/Вт.

Для определения показателей теплозащиты производился теплотехнический расчет по требованиям СП 50.13330.2012. Оценивалась величина приведенного сопротивления теплопередаче. Ограждающая конструкция из ДЦК была смоделирована в системе Elcut. Затем конструкция была разбита на сетку конечных элементов и был проведен расчет стационарного теплового потока через ограждающую конструкцию. В программе определялся тепловой поток через определенное сечение при помощи тепловых полей [7]. Математическое моделирование ограждающей конструкции и ее теплового режима было основано на определенных граничных условиях, в качестве которых выступали:

- Температура воздуха внутри помещения, со стенами из ДЦК по ГОСТ 30494-2011 tmt = 20 °С [8].

- Температура наружного воздуха по СП 50.13330.2012 text = -35 °С [6]

- Коэффициент теплоотдачи поверхности стены (внутренней) по СП 50.13330.2012 ая = 8,7 Вт/(м2-°С) [6].

- Коэффициент теплоотдачи поверхности стены (наружной) по СП 50.13330.2012 аж = 23 Вт/(м2-°С) [6].

Объектом моделирования выступал фрагмент ограждающей конструкции, размеры которой приведены на рис. 1. Тепловой поток был направлен по нормали к поверхности и пересекал слой материала, толщиной 40 см.

В первом варианте - это полнотелая конструкция. В качестве расчетного материала принят древесно-цементный композит в двух вариантах (опилкобетон и арболит). Показатели плотности, теплопроводности материалов были определены в ходе предыдущих работ, представлены в табл. 1. Условия эксплуатации ограждающих конструкций для Красноярского края могут быть приняты А или Б в зависимости от влаж-ностного режима помещений и зон влажности района строительства.

Термическое сопротивление изолированной воздушной прослойки размерами 10*30 см может быть принято Я = 0,16 м2 °С/Вт. Расчетный коэффициент теплопроводности 0,26 Вт/(м °С) [9]. Во втором варианте в теле конструкции выполнены изолированные воздушные полости определенного размера. В третьем варианте эти полости заполнены эффективным теплоизолятором (экструзионный пенополистирол), Я = 0,033 м2 °С/Вт [10]. Показатели теплопроводности древесно-цементных композитов определялись ранее [11].

Рис. 1. Геометрические размеры ограждающей конструкции из древесно-цементного композита

Таблица 1

Коэффициент теплопроводности

Материал Плотность кг/м3 Коэффициент теплопроводности Вт/(м °С)

В сухом состоянии Условия эксплуатации

А Б

ДЦК опилкобетон 880 0,25 0,41 0,63

ДЦК арболит 670 0,18 0,33 0,53

Экструзионный пенопо- 40 - 0,033 -

листирол

Рис. 2. Значение коэффициента теплопроводности ДЦК (слева - опилкобетон, справа - арболит)

Рис. 3. Базовые реперные точки и узлы, разбивка сеткой конечных элементов проектного тела в программе Е1си

Рис. 4. Тепловые поля и температуры проектного тела в программе Е1си

(слева - сплошное тело ДЦК, справа - с заполнением полостей экструзионным пенополистиролом)

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

В табл. 2 приведены расчеты удельных потерь теплоты и полученные величины сопротивления теплопередачи для различных режимов эксплуатации конструкции.

Полученные величины удельных потерь теплоты расчетной конструкции составляют от 19,5 до 51 Вт/(м2 -°С), величина сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции 1,07 до 2,9 (м2 -°С)/Вт показатели зависят от условий эксплуатации и варианта исполнения (цельное тело конструкции, воздушные полости либо вставки из ЭППС)

Нормативная величина сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции для климатических условий г. Красноярск по требованиям [6] составляет Я = 3,6 (м2 -°С)/Вт. Таким образом, получается, что даже стена из древесно-цементного композита в виде арболита с плотностью 670 кг/м3 толщиной 400 мм со вставками из экструзионного пенополистирола, имеющая в самых благоприятных условиях (сухое состояние) Я = 2,9 (м2 -°С)/Вт не обеспечивает выполнение требований нормативного документа. Т. е. для выполнения имеющихся нормативных требований требуется многослойная конструкция с высокоэффективными утеплителями. Реальный опыт индивидуальных застройщиков показывает несколько иную картину. Обычно толщина ограждающей конструкции принимается равной удвоенному сечению самого распространенного кладочного блока размером 0,4*0,2*0,2 м. В лучшем случае имеем массивную стену толщиной 40 см. Опыт проживания и величина затрат на отопление домов со стенами, выполненными из древесно-цементного композита даже при отсутствии в конструкции стен термоэффективных вкладышей или изолированных воздушных полостей, показывает, что такая конструкция имеет право на существование и затраты на отопления не превышают критических величин. [12; 13].

Высокие показатели тепловой эффективности, с величиной коэффициента энергосбережения 3 и более, неизбежно требуют всестороннего обоснования, из-за необходимости применения дорогостоящего эффективного теплоизолятора достаточной толщины. При этом важно, выполнения условия, согласно которому, срок службы эффективных утепляющих материалов будет превышать срок их окупаемости. Следо-

Таблица 2

Результаты расчетов

вательно, есть предпосылки считать нормативные величины коэффициентов тепловой эффективности несколько завышенными, что хорошо согласуется с данными исследований [14].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Методы определения термического сопротивления ограждающей конструкции из древесно-цементного композита, предусмотренные требованиями ГОСТ 7076-99, ГОСТ Р 54853-2011 весьма трудозатратны и имеют существенные недостатки.

2. Современные методы имитационного моделирования и метод конечных элементов позволяет аналитическим путем определить показатели термического сопротивления ограждающей конструкции из древес-но-цементного композита. Полученные величины удельных потерь теплоты расчетной конструкции составляют: (для средних условий эксплуатации) ДЦК арболит 36,3 Вт/(м2 • °С), ДЦК опилкобетон 44,37 Вт/(м2 • °С), величина сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции при этом для ДЦК арболит 1,52 (м2 •°С)/Вт, ДЦК опилкобетон 1,25(м2 • °С)/Вт.

3. При размещении в теле ограждающей конструкции изолированных воздушных полостей показатели термического сопротивления ограждающей конструкции возрастают: (для средних условий эксплуатации) ДЦК арболит 34,1 Вт/(м2 • °С), ДЦК опилкобетон 38,8 Вт/(м2 • °С), величина сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции при этом для ДЦК арболит 1,61 (м2 • °С)/Вт, ДЦК опилкобетон 1,41 (м2 • °С)/Вт. При условии замещения объема этих полостей высокоэффективным теплоизолятором в виде экструзионного пенополистирола показатели термического сопротивления существенно возрастают до уровней ДЦК арболит 19,5 Вт/(м2 • °С), ДЦК опилкобетон 20,35 Вт/(м2 • °С), величина сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции при этом для ДЦК арболит 2,82 (м2 • °С)/Вт, ДЦК опилкобетон 2,7 (м2 • °С)/Вт.

Рост тепловой эффективности конструкции при введении в ее массив вставок из ЭППС составляет: для арболита 167 %, для опилкобетона 192 %. Стеновые конструкции из опилкобетона, имеющего более высокую плотность, чем арболит, целесообразно оснащать вставками из высокоэффективного теплоизоляционного материала - экструзионного пенополистирола.

Вид древесно-цементного Плот- Удельные потери теплоты Расчетная величина сопротивления

композита ность кг/м3 д, Вт/(м2 •"С) теплопередаче ограждающей конструкции Я , (м2 -°С)/Вт

В сухом Условия В сухом Условия

состоянии эксплуатации состоянии эксплуатации

А Б А Б

Опилкобетон 42,1 44,37 51,3 1,31 1,25 1,07

Опилкобетон с воздушными полостями 880 36,4 38,8 43,25 1,52 1,41 1,27

Опилкобетон вставки из ЭППС 20,21 20,35 22,4 2,72 2,7 2,45

Арболит 34,23 36,3 38,8 1,61 1,52 1,41

Арболит с воздушными полостями 670 31,12 34,1 39,6 1,77 1,61 1,37

Арболит вставки из ЭППС 18,67 19,5 20,1 2,9 2,82 2,73

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ССЫЛКИ

1. Ватин Н. И., Немова Д. В., Рымкевич П. П., Горшков А. С. Влияние уровня тепловой защиты ограждающих конструкций на величину потерь тепловой энергии в здании // Инженерно-строительный журнал. 2012. № 8. С. 4-14.

2. Бескоровайная А. В., Семенова Э. Е. Зарубежный опыт применения энергосберегающих технологий в строительстве // Научный вестник Воронежского Государственного Архитектурно-строительного университета. Серия: высокие технологии. Экология. 2014. № 1. С. 118-120.

3. Горшков А. С., Ливчак В. И. История, эволюция и развитие нормативных требований к ограждающим конструкциям // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2015. № 3 (30). С. 7-37.

4. ГОСТ 7076-99. Материалы и изделия строительные. Метод определения теплопроводности и термического сопротивления при стационарном тепловом режиме. Введ. 01.04.2000. М. : Госстрой РФ, 2000. 22 с.

5. ГОСТ Р 54853-2011. Здания и сооружения. Метод определения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций с помощью тепломера. Введ. 15.12.2011. М. : Стандартинформ, 2012. 22 с.

6. СП 50.13330-2012. Тепловая защита зданий. Минрегионразвития РФ. Введ 07.01.2013. М., 2012. 97 с.

7. ELCUT. Моделирование двумерных полей методом конечных элементов. Руководство пользователя. СПб. : ПК ТОР, 2009. 339 с.

8. ГОСТ 30494-2011. Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях. Введ.

01.01.2013. М. : Стандартинформ, 2013. 12 с.

9. Гагарин В. Г., Козлов В. В., Цыкановский Е. Ю. Расчет теплозащиты фасадов с вентилируемым воздушным зазором // АВОК-Пресс. 2004. № 2. С. 20-26

10. ГОСТ 32310-2012 (EN 13164:2008) Изделия из экструзионного пенополистирола XPS теплоизоляционные промышленного производства, применяемые в строительстве. Технические условия Введ.

01.07.2014. М. : Стандартинформ, 2014. 24 с.

11. Долматов С. Н., Никончук А. В. Исследование показателей теплопроводности древесно-цементных композитов // Хвойные бореальной зоны. 2019. Т. 37, № 5. С. 341-346.

12. Gheni A. A. et al., Energy Efficiency and Thermal Characterization of Eco-Friendly Wood Fiber Masonry Blocks, Proceedings of the 16th International Brick and Block Masonry Conference , Padova, Italy, pp. 895-902, CRC Press, Jun 2016.

13. Kosny J. Wooden Concrete - High Thermal Efficiency Using Waste Wood - Proceedings of ACEEE 1994 Summer Study of Energy Efficiency in Buildings, 1994. 12 р.

14. Перехоженцев А. Г. Нормирование сопротивления теплопередаче наружных ограждений зданий по условию теплового комфорта в помещении // Вестник МГСУ. 2016. № 2. С. 173-185.

REFERENCES

1. Vatin N. I., Nemova D. V., Rymkevich P. P., Gorshkov A. S. Vliyaniye urovnya tep-lovoy zashchity ograzhdayushchikh konstruktsiy na velichinu poter' teplovoy energii v zdanii // Inzhenerno-stroitel'nyy zhurnal. 2012. № 8. S. 4-14.

2. Beskorovaynaya A. V., Semenova E. E. Zarubezhnyy opyt primeneniya energosbe-regayushchikh tekhnologiy v stroitel'stve // Nauchnyy vestnik Voronezhskogo Gosudarstven-nogo Arkhitekturno-stroitel'nogo universiteta. Seriya: vysokiye tekhnologii. Ekologiya. 2014. № 1. S. 118-120.

3. Gorshkov A. S., Livchak V. I. Istoriya, evolyutsiya i razvitiye normativnykh tre-bovaniy k ograzhdayushchim konstruktsiyam // Stroitel'stvo unikal'nykh zdaniy i sooruzhe-niy. 2015. № 3 (30). S. 7-37.

4. GOST 7076-99. Materialy i izdeliya stroitel'nyye. Metod opredeleniya teplo-provodnosti i termicheskogo soprotivleniya pri statsionarnom teplovom rezhime. Vved. 01.04.2000. M. : Gosstroy RF, 2000. 22 s.

5. GOST R 54853-2011. Zdaniya i sooruzheniya. Metod opredeleniya soprotivleniya teploperedache ograzhdayushchikh konstruktsiy s pomoshch'yu teplo-mera. Vved. 15.12.2011. M. : Standartinform, 2012. 22 s.

6. SP 50.13330-2012. Teplovaya zashchita zdaniy. Minregionrazvitiya RF. Vved 07.01.2013. M., 2012. 97 s.

7. ELCUT. Modelirovaniye dvumernykh poley metodom konechnykh elementov. Ruko-vodstvo pol'zovatelya. SPb. : PK TOR, 2009. 339 s.

8. GOST 30494-2011. Zdaniya zhilyye i obshchestvennyye. Parametry mikroklimata v pomeshche-niyakh. Vved. 01.01.2013. M. : Standartinform, 2013. 12 s.

9. Gagarin V. G., Kozlov V. V., Tsykanovskiy E. Yu. Raschet teplozashchity fasadov s ventiliruyemym vozdushnym zazorom // AVOK-Press. 2004. № 2. S. 20-26.

10. GOST 32310-2012 (EN 13164:2008) Izdeliya iz ekstruzionnogo penopolistiro-la XPS teploizolyats-ionnyye promyshlennogo proizvodstva, primenyayemyye v stroitel'stve. Tekhnicheskiye usloviya Vved. 01.07.2014. M. : Standartinform, 2014. 24 s.

11. Dolmatov S. N., Nikonchuk A. V. Issledovaniye pokazateley teploprovodnosti drevesno-tsementnykh kompozitov // Khvoynyye boreal'noy zony. 2019. T. 37, № 5. S. 341-346.

12. Gheni A. A. et al., Energy Efficiency and Thermal Characterization of Eco-Friendly Wood Fiber Masonry Blocks, Proceedings of the 16th International Brick and Block Masonry Conference, Padova, Italy, pp. 895-902, CRC Press, Jun 2016.

13. Kosny J. Wooden Concrete - High Thermal Efficiency Using Waste Wood - Pro-ceedings of ACEEE 1994 Summer Study of Energy Efficiency in Buildings, 1994. 12 r.

14. Perekhozhentsev A. G. Normirovaniye soprotivleniya teploperedache naruzhnykh ograzhdeniy zdaniy po usloviyu teplovogo komforta v pomeshchenii // Vestnik MGSU. 2016. № 2. S. 173-185.

© Долматов С. Н., Колесников П. Г., 2021

Поступила в редакцию 10.03.2021 Принята к печати 20.08.2021