CC BY
57Научно-технический и производственный журнал
-------ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
Результаты научных исследований
УДК 69.059.4
А.И. ИВАНЦОВ, инженер-архитектор (lesha_25@mail.ru),
В.Н. КУПРИЯНОВ, д-р. техн. наук, член-корр. РААСН, И.Ш. САФИН, инженер-строитель (zavlab17@rambler.ru), Казанский государственный архитектурно-строительный университет (КазГАСУ)
Натурные исследования эксплуатационных
о с» 1
воздействии на фасадные системы с различными видами эффективных утеплителей
Приведены результаты натурных исследований эксплуатационных воздействий на материалы трех фасадных систем с тонким штукатурным слоем. Разработаны методы расчета эксплуатационного тепловлажност-ного состояния материалов наружного утепления и облицовочных слоев, основанных на взаимодействии климатических факторов и свойств ограждающих конструкций.
Ключевые слова: натурные исследования, эксплуатационные воздействия, тепловлажностное состояние, метод.
В соответствии с «Техническим регламентом о безопасности зданий и сооружений» информация о долговечности ограждающих конструкций должна быть представлена в проектной документации. В нормативных документах подобная информация отсутствует. Одной из причин этого является отсутствие научнообоснованных методов оценки срока службы материалов фасадных систем, что, в свою очередь, сдерживается отсутствием обоснованных данных об эксплуатационных воздействиях на материалы ограждающих конструкций.
В настоящей работе представлены результаты натурных исследований эксплуатационных воздействий на материалы фасадных систем с тонким штукатурным слоем. Разработаны методы расчета эксплуатационной температуры и влажности материалов наружного утепления и облицовочных слоев, которые основаны на взаимодействии климатических факторов и свойств ограждающих конструкций.
Методика исследований
Для исследования тепловлажностного состояния фасадных систем с тонким штукатурным слоем в натурных условиях на кафедре проектирования зданий КазГАСУ был изготовлен натурный испытательный стенд (рис. 1), представляющий собой простенок существующего здания, утепленный по системе «мокрый фасад» с использованием трех видов эффективного утеплителя: пенополисти-
рола (2а), минеральной ваты (2б) и газобетона (2в). Характеристики материалов приведены в таблице.
Распределение температуры по толщине ограждающей конструкции фиксируется восьмиканальным устройством измерения температуры ОВЕН УКТ38-Щ4 (6) с применением датчиков - термопреобразователей сопротивления ДТС типа ТСП (9) с погрешностью измерений не более 0,1оС. Измерения проводятся непрерывно с интервалом 10 мин и накапливаются в базе данных.
Влажность материалов в толще конструкции определяется игольчатым контактным влагомером GANN COMPACT A (5) посредством датчиков (8), представляющих собой отнесенные на необходимое расстояние игольчатые электроды, внедряемые в изучаемый слой материала. Влажность определяется периодически с интервалом 3 ч.
Внешнее воздействие климата: температура и относительная влажность наружного воздуха фиксируется прибором ИВТМ-7, суммарная солнечная радиация определяется универсальным пиранометром М-80М в автоматическом режиме.
Анализ результатов исследований
Основные результаты натурных исследований представляются в виде графиков распределения температуры и влажности по толщине ограждения в течение суток. На рис. 2 приведен пример распределения температуры и влажности, полученный 23.02.2013 г.
№ слоя Материал Толщина слоя б, м Средняя плотность, кг/м3 Коэффициент теплопроводности X, Вт/(моС) Коэффициент теплоусвоения S24, Вт/(м2оС) Коэффициент паропроницаемости 1, мг/(мчПа)
1 Штукатурка Ceresit СТ190 0,008 1350 0,87 8,48 0,098
2а Пенополистирол 0,15 8,6 0,039 0,32 0,02
2б Минеральная вата 0,15 95,8 0,035 0,74 0,32
2в Газобетон 0,15 422 0,143 2,42 0,23
3 Кирпичная кладка 0,64 1500 0,87 10,9 0,11
Результаты
научных исследований
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
Рис. 1. Схема испытательного натурного стенда (фрагмент — для одного вида утеплителя): 1 — облицовочный штукатурный слой; 2 — эффективный утеплитель; 3 — кирпичный простенок; 4 — экструдированный пенополистирол; 5 — контактный влагомер игольчатого типа GANN СОМРАСТА; 6 — восьмиканальное устройство измерения температуры ОВЕН УКТ38-Щ4; 7 — компьютер; 8 — датчик влажности материала; 9 — датчик — термопреобразователь сопротивления ДТС
Для моделирования нестационарных температурных полей на основании полученных графиков были использованы предпосылки теории теплоустойчивости, описанные в классических работах О.Е. Власова и А.М. Шкловера. Согласно данной теории температурные поля в ограждении выстраиваются в соответствии с колебаниями температуры наружного воздуха и показателями затухания и запаздывания колебаний, определяемыми свойствами и взаимным расположением материалов в ограждении.
Колебания температуры наружного воздуха с определенными допущениями рассматриваются как гармонические колебания. При этом температура наружного воздуха 4 изменяется около среднесутоного значения 2*Ср с периодом Т=24 ч так, что в любой момент
времени z (ч) ее величина равна:
'н^ср + АсОв^,
(1)
где А,в - среднее значение среднесуточной амплитуды наружного воздуха, оС.
Влияние солнечной радиации, вызывающей повышение температуры наружной поверхности, учитывается повышением температуры наружного воздуха на условную эквивалентную добавку гусл= —:
(2)
Рис. 2. Распределение температуры и влажности по толщине ограждения в течение суток (23.02.13) для фрагмента с газобетоном
где р - коэффициент поглощения солнечной радиации материалом наружной поверхности; (!„ - коэффициент теплоотдачи наружной поверхности, Вт/(м2оС); - интенсивность суммарной солнечной радиации в момент времени г на вертикальную поверхность соответствующей ориентации, Вт/м2.
Для максимального приближения результатов расчета к реальным эксплуатационным условиям и достижения фактической температуры поверхности интенсивность солнечной радиации принимается по негармоническому графику в каждый час суток.
На рис. 3 приведены графики сравнения температуры, вычисленной по (1) и (2), и экспериментальных данных по температуре поверхности в ясный солнечный день. Как можно видеть, наиболее приближенного к реальным значениям результата удается достичь при значении Он= 9-10 Вт/(м2оС) при нормативном в 23 Вт/(м2оС) с учетом поступления солнечной радиации на экспериментальный стенд с 10 до 12 ч при расчетном периоде с 7 до 16 ч.
Изменение температуры наружного воздуха и поверхности ограждения вызывает изменение температуры в толще стены. В произвольном сечении х температура должна описываться уравнением:
4 = 4О+^со8
(3)
Рис. 3. Сопоставление экспериментальных и расчетных значений температуры наружной поверхности стенда
где ¿«о - среднее за период значение температуры в сечении х (определяется по формулам стационарной теплопередачи); 1)* - показатель затухания колебаний в сечении х;
Научно-технический и производственный журнал
Результаты научных исследований
=2,7^-0,4 = 2,7^4-0,4.
03 100
90
5 о 80
й X | | 70
о о ¡1 60
50
5 § 40
а.а 5 ° 30
5 £ 5 5 20
а" и Е 10
о 0
х
5
1 »-Л • *.. % •
• - * ■ Л /У- ' м" эд
—< • • • 1 Г; V.
-50 -40 -30 -20
-10
10
20
30
Рис. 4. Показатель запаздывания температурной волны по толщине утеплителя
£х - показатель запаздывания сквозного проникновения колебаний, приближенно принимается при Т=24 ч.
В инженерных расчетах для определения ух и ех используются приближенные формулы, предложенные В.Н. Богословским:
УтН , (4)
е
с-
=
ьО
5
т. •. ^
¡£8 ¡¡|
<3 О —
г са £
п к О
О 2 5
2 = I.
в а £
5 и
1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 О
«а
// •
* *
V * •
. • ••
-50 40 -30 -20 -10 0 10 20 30 ............................ ;:и|'|1'11:1>1 и-м-^-рл;.';-!,: -мр;. к-м "С
Рис. 5. Зависимость среднемесячных значений относительной влажности воздуха и парциального давления водяных паров от среднемесячных значений температуры наружного воздуха
где ^ и Бх - сопротивление теплопередаче слоя и коэффициент теплоусвоения материала этого слоя; Ух и У^ - коэффициенты теплоусвоения поверхностей слоев п и п+1 со стороны движения волны.
(5)
На рис. 4 представлен график экспериментальных значений распределения показателя запаздывания температурной волны £х по толщине трех видов утеплителя (сплошные линии). Здесь же нанесены расчетные величины запаздывания ех, вычисленные по формуле (5) (штрих-пунктирные линии). Как можно видеть, реальное запаздывание колебаний оказалось значительно меньше расчетного. Экспериментальные данные показывают, что запаздывание сквозного проникновения колебаний £х в большей степени зависит от коэффициента теплоусвоения материала ограждения и в данном случае приближенно может быть описано следующей предлагаемой зависимостью:
е^Д^2- 0,4. (6)
На рис. 4 эти зависимости показаны штриховыми линиями.
Распределение температуры по толщине ограждения в течение суток позволяет перейти к распределению максимальной упругости водяного пара, определяющего зону конденсации по разности с действительной упругостью.
Предпосылки расчета влажностного режима
В расчетах по широко используемому методу Фокина-Власова действительная упругость водяного пара определяется исходя из справочных значений фн, %, по формуле: = ф¿Е^ /100, где Е^ - максимальная упругость водяного пара, Па, которая, в свою очередь, определяется по справочным таблицам по величине Значение ен из климатических справочников авторы классического метода не используют. В то время как представленные на рис. 5 зави-
—»■ - 7:00
8:00 9:00
—ж-
—к— 9:30
10:00
-ш- 18:00
- с
6 8 10 То. Тпни;!, см
—ч- - 7:00
8:00
—я- 9:00
9:30
-*- 10:03 18:00
■
- с
6 8 10 То.итип см
Рис. 6. Схема возникновения возможной зоны конденсации в толще утеплителя при суточных колебаниях температуры в слоях ограждения (на 12.03.13): а — пенополистирол; б — минеральная вата; в — газобетон
а
в
Результаты
научных исследований
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
симости среднемесячных значений относительной влажности воздуха фн и парциального давления водяных паров ен от среднемесячных значений температуры наружного воздуха ¿н, полученные из СНиП 2.01.01-82 и СНиП 23-01-99* и обобщенные по 30 городам, расположенным в различных зонах влажности, демонстрируют меньший разброс значений ен относительно фн, особенно в зимний период. То есть применение в расчетах справочных значений ен обеспечит повышение точности расчетов.
К тому же известно, что процесс диффузии водяного пара в ограждающих конструкциях очень инерционный: стационарный режим паропроницания устанавливается через несколько недель. В реальных эксплуатационных условиях разность (ев - ен) от месяца к месяцу изменяется постепенно и незначительно (для Москвы ен - 280 Па в январе и 290 Па в феврале). Т. е. ен изменяется на 10 Па в течение месяца, что позволяет считать ен практически постоянной величиной в наиболее холодный период года.
Принимая в расчет данную предпосылку, процесс конденсации парообразной влаги в ограждении при суточных колебаниях температуры наружного воздуха можно представить следующей схемой.
На рис. 6 представлены схемы образования возможной зоны конденсации в течение суток, построенные на основании вышеизложенного метода с использование экспериментальных данных по температурным полям в толще стены.
Анализ графиков показывает, что в течение суток зона конденсации парообразной влаги (превышение действительной упругости водяного пара е над максимальной Е) изменяется в зависимости от вида материалов. Зона возможной конденсации образуется в толще пенополистирола в вечернее время в 21.00 и заканчивается в 9.30 утра, захватывая до 2/3 его толщины. В минеральной вате и газобетоне зона конденсации начинает образовываться с внешней поверхности утеплителя в 18.00 и продвигается вглубь до 1/3 толщины утеплителя вплоть до 10 часов утра. То есть при одинаковых наружных условиях наиболее протяженная зона конденсации образуется в пенополистироле, в то время как в газобетоне и минеральной вате конденсация проходит интенсивнее, учитывая максимальную величину разности (e-iT).
Конденсация в различных материалах прекращается с повышением температуры в слоях за счет прогревания материалов вследствие действия солнечной радиации в зависимости от показателей затухания и запаздывания прохождения тепловых колебаний.
Проведенными исследованиями уточнена методика расчета температурно-влажностного состояния наружных слоев в зависимости от параметров климата и свойств ограждающих конструкций, что позволяет получить количественные характеристики условий эксплуатации наружных слоев материалов и перейти к разработке методов оценки срока службы материалов этих слоев.
IJM
етшущ
XXIII МЕЖДУНАРОДНАЯ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННАЯ ВЫСТАВКА
н
п_п к
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ в СТРОИТЕЛЬСТВЕ
СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ВЫСТАВКИ
МАЛОЭТАЖНОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО
24-27 сентября
УФА-2013
а к ,/в™^ тел.: (347) 253 14 33, 253 38 00т 241 74 19 щит \
Q ¡''компания / ' ' WWW.Í
e-mail: stroy@bvkexpo.ru, www.bvkexpo.ru
