CC BY
76
УДК 697.13
РУСАНОВ А. Е. ГОЛОВНЕВ С. Г
Исследование влияния дефектов устройства навесных фасадных систем на теплозащитные свойства стеновых ограждающих конструкций
Русанов
Алексей
Евгеньевич
аспирант кафедры «Технология строительного производства» ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет» (Национальный исследовательский университет)
e-mail: [email protected]
Головнев
Станислав
Георгиевич
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Технология строительного производства» Южно-Уральского государственного университета (НИУ), Заслуженный деятель науки РФ, член-корр. РААСН
e-mail: [email protected]
Статья посвящена исследованию влияния характерных дефектов устройства навесных фасадных систем на теплозащитные свойства при строительстве и эксплуатации зданий. Получена регрессионная модель учета совместного влияния дефектов на уровень теплозащиты стеновых ограждающих конструкций.
Ключевые слова: теплозащита, приведенное сопротивление теплопередаче, дефекты строительных работ, навесные фасадные системы.
RUSANOV A. E.
GOLOVNEV S. G.
RESEARCH OF IMPACT OF DEFECTS OF THE STRUCTURE OF HINGED FRONT SYSTEMS ON HEAT-SHIELDING PROPERTIES OF WALL PROTECTING DESIGNS
The article is devoted to research of influence of characteristic defects of device hinged facade systems on heat-shielding properties during construction and operation of the buildings. The regression model of accounting of joint influence of defects on level of a heat-shielding of wall protecting designs is received.
Keywords: thermal protection, the specified resistance to a heat transfer, defects of construction works, hinged front systems.
Одним из основных факторов, влияющих на повышенные удельные расходы тепловой энергии при эксплуатации зданий, является неудовлетворительное качество стеновых ограждающих конструкций в обеспечении необходимого уровня теплозащиты. Трансмиссионные тепло-потери составляют по разным оценкам порядка 50 % от общего энергопотребления здания, из которых до 70 % приходится на стеновые ограждающие конструкции. Обеспечение заданного уровня приведенного сопротивления теплопередаче, определяемого согласно СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» [1], напрямую влияет на уровень теплозащиты здания в целом. Основной причиной является нарушение производства строительных работ по устройству наружных ограждающих конструкций, т. е. возникновение дефектов теплозащиты. Под дефектом теплозащиты будем понимать любое отступление от требований норм, приводящее к понижению уровня теплозащиты.
К дефектам теплозащиты, возникающим из-за нарушения технологии производства строительных работ при устройстве стеновых ограждающих конструкций, относятся: подмена материалов (использование материалов с пониженными теплозащитными свойствами); нарушение технологической последовательности монтажа элементов фасадных систем; нарушение технологии устройства межпанель-ных швов; нарушение технологии устройства несущего основания; нарушение технологии монтажа теплоизоляционного слоя; образование неучтенных в проекте «мостиков холода» при устройстве элементов фасадных систем [2].
Наружные ограждающие конструкции с НФС (навесными фасадными системами) характеризуются значительной степенью теплотехнической неоднородности, на которую оказывают влияние как конструктивные составляющие системы, так и дефекты строительных работ. Исследованию воздействия конструктивных элементов НФС на теплозащиту стеновых ограждающих конструкций посвящена работа
4,6 4,5 4,4 4,3 4,2 4,1 „ 4.0 со 3,9 О 3,8 1* 3,7
„ - 3,6
£, 3,5 о 3,4 5 3,3
5? 3,2
ш 3,1 ё 3,0
0) 2,7
1 2,6 с 2.5
о 2,0 ° 1,9
$ 1,8 Э 1,7 Е9 1 «
1,1
1,0
0,9
0.8
0,7
0,6
Х1 0,000 0,001 0,002 0,003 0,004 0,005 0,006 0,007 0,008 0,009 0,010
Х2 0,000 0,001 0,002 0,003 0,004 0,005 0,006 0,007 0,008 0,009 0,010
ХЗ 0,000 0,001 0,002 0,003 0,004 0,005 0,006 0,007 0,008 0,009 0,010
Х4 0,120 0,172 0,224 0,276 0,328 0,380 0,432 0,484 0,536 0,588 0,640
Х5 0,120 0,313 0,506 0,699 0,892 1,085 1,278 1,471 1,664 1,857 2,050
Х6 0,040 0,061 0,082 0,103 0,124 0,145 0,166 0,187 0,208 0,229 0,250
Х7 0,032 0,0378 0,0436 0,0494 0,0552 0,061 0,0668 0,0726 0,0784 0,0842 0,090
Х8 0,001 0,0014 0,0018 0,0022 0,0026 0,003 0,0034 0,0038 0,0042 0,0046 0,005
Х9 58,0 74,3 90,6 106,9 123,2 139,5 155,8 172,1 188,4 204,7 221,0
Х10 0,01 0,014 0,018 0,022 0,026 0,030 0,034 0,038 0,042 0,046 0,050
Х11 0,035 0,1245 0,214 0,3035 0,393 0,4825 0,572 0,6615 0,751 0,8405 0,930
Иллюстрация 1. Зависимость приведенного сопротивления теплопередаче стеновой ограждающей конструкции от факторов Xу — X
П. В. Монастырева и др. [3], в которой предложена методика расчета коэффициента теплотехнической неоднородности с учетом влияния элементов НФС.
Дополнительное влияние на теплотехническую однородность стеновых ограждающих конструкций с НФС вносят дефекты теплозащиты, количественная оценка влияния которых оставалась неизученной. Было проведено теоретическое исследование влияния характерных дефектов строительных работ по устройству навесных фасадных систем на уровень теплозащиты 1 м2 фрагмента стеновой ограждающей конструкции, с количественной оценкой влияния каждого характерного дефекта.
Анализ требований нормативных документов и технических свидетельств применяемых НФС, а также результатов проверок Госстройнад-зора выявил следующие характерные дефекты теплозащиты, возникающие при устройстве НФС. В Таблице 1 приведены рассматриваемые факторы (дефекты) с кодированными значениями уровней факторов. Факторы варьируются на уровнях +1 (+)
и -1 (-).
Количественное определение уровней факторов, характеризующих степень влияния того или иного дефекта на теплозащиту фрагмента, осуществлялось анализом требований нормативных документов, технических свидетельств применяемых навесных фасадных систем с воздушным зазором, а также по результатам проверок Госстройнадзора объектов гражданского строительства Челябинской области.
Значение фактора отслоения утеплителя от основания изменялось от 0 до 0,01 м. Величина отслоения утеплителя от основания зависит от качества поверхности основания, величины отклонения от вертикальности поверхности основания, конструктивных особенностей узла крепления кронштейна, качества устройства теплоизоляционного слоя.
Установлено, что зазор в стыке плит теплоизоляционного слоя варьируется от 0 до 0,01 м; зазор в стыке кронштейна с плитами утеплителя — от 0 до 0,015 м.
Такие факторы, как толщина и коэффициент теплопроводности терморазрыва, размер основания кронштейна, ширина воздушного зазора, коэффициент теплопроводности и толщина материала защитно-декоративного экрана, в исследовании не рассматривались, так как ранее в работе [3] установлено их слабое влияние на уровень теплозащиты.
При определении влияния факторов строительных работ на теплозащиту фрагмента исследуемый фактор варьировался от минимального до максимального значения, остальные факторы строительных работ принимались на минимальном уровне, а геометрические и теплофизические факторы принимались на среднем уровне. При определении влияния геометрических и теплофизических факторов на теплозащиту фрагмента факторы строительных работ принимались на минимальном уровне, исследуемый фактор варьировался от минимального до максимального значения, остальные геометрические и теплофизические факторы принимались на среднем уровне. В качестве исследуемого параметра было принято значение приведенного сопротивления теплопередаче.
При варьировании значений исследуемых факторов от минималь-
ного значения до максимального уровень теплозащиты фрагмента изменялся от -187,4 до +286,2%. Наиболее существенное «положительное» влияние оказывает толщина теплоизоляционного слоя (+286,2 %) (Иллюстрация 1). Существенное влияние оказывает и коэффициент теплопроводности утеплителя (-135,3 %). Однако установлено, что при увеличении коэффициента теплопроводности и толщины утеплителя влияние дефектов теплозащиты возрастает. Значительное влияние на уровень теплозащиты оказал коэффициент теплопроводности основания (-108,0 %); существенно меньшее количественное влияние оказала величина толщины основания (+17,7 %).
Наиболее существенное «отрицательное» влияние оказал фактор отслоения теплоизоляционного слоя от основания (-187,4 %). При прове-
Таблица 1. Исследуемые факторы и кодированные уровни варьирования
Обозначение фактора Наименование фактора Натуральное значения фактора, соответствующее уровню варьирования
-1 (-) + 1 (+)
*1 Зазор в стыке плит утеплителя, м 0 0,01
*2 Зазор в стыке кронштейна с плитой утеплителя, м 0 0,015
*3 Отслоение плит утеплителя от основания, м 0 0,01
*4 Отступление от проектного значения толщины основания, м 0,12 0,64
*5 Отступление от проектного значения коэффициента теплопроводности материала основания, Вт/ м ■ "С 0,12 2,05
*6 Отступление от проектного значения толщины теплоизоляционного слоя, м 0,04 0,25
*7 Отступление от проектного значения коэффициента теплопроводности материала теплоизоляционного слоя, Вт/м ■ "С 0,032 0,09
*8 Отступление от проектного значения толщины кронштейна, м 0,0012 0,005
*9 Отступление от проектного значения коэффициента теплопроводности материала кронштейна, Вт/ м ■ "С 58 221
*10 Нарушение устройства стыка основания с плитой перекрытия, м 0 0,05
*11 Отступление от проектного значения коэффициента теплопроводности материала заполнения стыка основания с плитой перекрытия, Вт/ м ■ "С 0,035 0,93
Таблица 2. Матрица плана и результаты эксперимента
№ *1 *2 *3 *4 *5 *6 *7 япр кр Коэфф. совместного влияния значимых факторов, kj Квадраты остатков
Эксперимен- тальный По модели
1 2,28179 2,28179 1,00000 1,02101 0,000441474
2 + 2,13503 2,28179 0,93568 0,86112 0,005559326
3 - + 2,26720 2,28179 0,99361 0,98141 0,000148809
126 + - + + + + + 0,48818 3,06465 0,15929 0,228931 0,004849449
127 - + + + + + + 0,81827 3,06465 0,26700 0,378309 0,012388765
128 + + + + + + + 0,43094 3,06465 0,14062 0,203499 0,003954416
дении исследования была принята скорость движения воздуха в отслоении 0,05 м/с. Таким образом, даже столь малое значение величины скорости движения воздуха в отслоении оказывает существенное влияние на теплозащитные свойства стеновых ограждающих конструкций. Фактор зазора в стыке плит утеплителя оказал влияние на теплозащиту фрагмента (-53,4 %) в рассмотренном интервале значений.
Более «слабое» влияние на теплозащитные свойства фрагмента оказали факторы X2 (-3,4 /о), X8 (-2,8 /о), Х9 (-3,0 /о), Х10 (-7,1 /о), Хп (-3,7 /о).
Таким образом, определено дифференциальное влияние рассмотренных факторов на уровень теплозащиты. Однако совместное влияние
факторов не определено. Для снятия данной неопределенности необходимо количественно оценить вклад каждого фактора в теплотехническую однородность конструкции с выбором наиболее значимых факторов.
Данная цель была реализована с применением статистических методов и проведением математического эксперимента. В качестве отклика была принята величина коэффициента влияния дефектов теплозащиты на теплотехническую однородность фрагмента стеновой ограждающей конструкции с НФС.
В случае, когда число факторов велико и в разной степени оказывает влияние на функцию отклика, необходимо выявить факторы, ока-
зывающие существенное влияние на выходной параметр. Наиболее рациональным решением с учетом отсутствия проведения параллельных опытов в каждой точке факторного пространства (в каждой точке проводится один эксперимент по определению влияния на уровень теплозащиты) является планирование отсеивающего эксперимента с использованием планов Плакет-та — Бермана. Данным планам присуще свойство ортогональности, поэтому линейные эффекты факторов определяются независимо друг от друга с максимально возможной при данном числе опытов точностью, одинаковой для всех эффектов, что, в свою очередь, важно при проведении отсеивающих экспериментов [4].
Иллюстрация 2. Коэффициент совместного влияния дефектов теплозащиты:
а — при зазоре в стыке кронштейна с плитой перекрытия 0 мм; б — при зазоре в стыке кронштейна с плитой перекрытия 15 мм
После реализации отсеивающего плана эксперимента проводилась статистическая обработка результатов, включающая расчет эффектов каждого фактора и проверку значимости факторов. Было установлено, что из девяти факторов статистически значимыми являются факторы: X1, X2, Xз, X4, X5, X6, Xу. Для более детального описания функции отклика с учетом значимых факторов был проведен двухуровневый полный факторный эксперимент с использованием полинома первой степени. Матрица плана и результаты фрагментарно приведены в Таблице 2.
Экспериментальное исследование коэффициента совместного влияния значимых факторов на теплозащиту глухого участка стеновой ограждающей конструкции с НФС проводилось с помощью программы «ELCШ'». Значение коэффициента совместного влияния значимых факторов, предсказанное по модели, а также значения коэффициентов определялись методом наименьших квадратов с помощью программы «^ТАТКТГСА 6.1».
Далее осуществлялась статистическая оценка результатов, включающая в себя проверку значимости всех коэффициентов и проверку адекватности модели. В результате оценки оказалось, что из двадцати восьми коэффициентов десять оказались незначимы.
Адекватность построенной модели регрессии проверена по критерию Фишера на уровне значимости 0,05. Дополнительно были рассмотрены и другие математические модели. Удовлетворительную адекватность показала рассмотренная первоначально модель, которая является и более удобной для практического применения.
По результатам статистической проверки значимости коэффициентов уравнения регрессии модель, после исключения незначимых десяти коэффициентов, приняла следующий вид:
у(к) = 0,66843 - 0,08368 • Х1 - 0,01626 • Х2 --0,17607 • Х3 + 0,02870 • Х4 - 0,07676 • Х5 --0,16763 • Х6 + 0,08294 • Х7 + 0,04412 • Х1 •
•Х3 - 0,02661 • Х1 • Х5 - 0,04712 • Х1 • Х6 +
+0,01650 • Х1 • Х7 + 0,01603 • Х3 • Х4 --0,03240 • Х3 • Х5 - 0,06979 • Х3 • Х6 +
+0,05030 • Х3 • Х7 - 0,03340 • Х4 • Х5 +
+0,02285 • Х4 • Х6.
Для удобства практического применения построенной модели представлен графический способ определения влияния некоторых дефектов строительных работ на уровень теплозащиты ограждающих конструкций с НФС. Расчет коэффициента совместного влияния дефектов выполнялся для кирпичных стен (X4 = 0,25 м; X5 = 0,7 Вт/м ■ °С) с минераловатным утеплителем (X6 = 0,15 м; X7 = 0,042 Вт/м ■ °С). На основе выполненного расчета построены графики зависимости коэффициента совместного влияния дефектов теплозащиты от величин зазора в стыке плит утеплителя и отслоения плит утеплителя от основания (Иллюстрация 2).
Заключение
Нами проведена классификация дефектов теплозащиты при устройстве наружных ограждающих конструкций; оценено влияние характерных дефектов строительных работ при устройстве навесных фасадных систем на уровень теплозащиты; определена модель учета совместного влияния дефектов устройства навесных фасадных систем на уровень теплозащиты, которая позволяет количественно оценить качество устройства навесных фасадных систем гражданских зданий в процессе строительства.
Список использованной литературы
1 СНиП 23-02-2003. Тепловая защита зданий / Госстрой России. М., 2004.
2 Вавилов В. П., Александров А. Н. Инфракрасная термографическая диагностика в строительстве и энергетике. М., 2003.
3 Теплотехнические особенности проектирования утепленных наружных стен с вентилируемым фасадом : учеб. пособие / П. В. Монастырев, В. М. Езерский, Б. В. Гусев и др. М., 2006.
4 Планирование эксперимента в исследованиях технологических процессов / Л. Хартман, Э. Лецкий, В. Шефер и др. ; под ред. Э. К. Лецкого. М., 1987.
