Новые энергоэффективные ограждающие конструкции и решения вопросов формирования комфортной среды жизнедеятельности Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

3/2008

ВЕСТНИК

МГСУ

НОВЫЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫЕ ОГРАЖДАЮЩИЕ КОНСТРУКЦИИ И РЕШЕНИЯ ВОПРОСОВ ФОРМИРОВАНИЯ КОМФОРТНОЙ СРЕДЫ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ

Е.А. Король, М.Ю. Пестерева, Л.И. Шубин

Реализуемая концепция разработки и внедрения в практику современного строительства нового поколения энергоффективных ограждающих конструкций нацелена не только высокий уровень теплозащиты зданий, но и на обеспечение комфортной и безопасной среды жизнедеятельности человека.

В свою очередь, современные высокие требования к энергосбережению и теплозащите зданий в РФ привели к использованию новых типов многослойных ограждающих конструкций с применением эффективных, с точки зрения высоких теплозащитных свойств, но имеющих значительно меньший срок службы по сравнению с конструкционными материалами. Кроме того, в процессе эксплуатации физико-механические свойства их значительно снижаются, что приводит либо к необходимости неоднократной замены утеплителя, либо в случае неремонтоспособности - полностью ограждающей конструкции в процессе эксплуатации в течение всего жизненного цикла.

Альтернативным решением является использование легких бетонов низкой теплопроводности в качестве теплоизоляционного слоя многослойных конструкций, обеспечивающих не только высокое сопротивление теплопередачи, но и равный срок службы с конструкционными материалами.

Область применения ограждающих конструкций нового поколения охватывает практически все типы зданий, а конструктивно-технологические решения распространяются на все виды ограждающих конструкций - стены, чердачные перекрытия и покрытия. При этом главное - разработанные и исследованные ограждающие конструкции могут эксплуатироваться в различных климатических условиях РФ.

Создание и подержание комфортного микроклимата в помещениях обеспечивается целым комплексом мероприятий, в числе которых важная роль отводится вентиляции и кондиционированию. В свою очередь эти мероприятия оказывают благоприятное воздействие на эксплуатационные условия теплоизоляционных материалов, входящих в состав многослойных конструкций и, как правило, более уязвимых по сравнению с конструкционными материалами к климатическим воздействиям, таким как перепад температур, влажности и др. в течение круглогодичного цикла.

В настоящее время применение систем вентиляции и кондиционирования (СКВ) является неотъемлемой частью обеспечения комфортных условий проживания. Однако в процессе эксплуатации, мы сталкиваемся с проблемой шума, излучаемого этими системами. Согласно МГСН 2.04-97[2] в жилых комнатах квартир в домах категории А допустимые уровни шума в ночное время ниже, чем в помещениях категории Б (категории

ВЕСТМГСУ 3/2008

для массового строительства) на 5 дБ, и составляют соответственно 25 и 30 дБА. Дополнительно, в нормативных документах введена поправка -5 дБ на шум инженерного оборудования и, в частности, вентоборудования (систем вентиляции, кондиционирования воздуха и воздушного отопления). Это весьма жесткие требования (имеется ввиду, прежде всего, упомянутая поправка), для удовлетворения которых, требуется грамотный подход и достаточно большие средства.

Для борьбы с шумом систем СКВ используются акустические материалы. Однако используемые ранее в ССР материалы с известными акустическими характеристиками, в настоящее время практически не выпускаются. В то же время на рынке появилось большое количество новых материалов различных фирм, которые заявляются как эффективные акустические материалы. Однако практика показывает, что не все материалы обладают заявленными характеристиками и их применение не всегда дает гарантированный результат.

По проведенным исследованиям были получены акустические характеристики ряда современных материалов, что позволило создать методику подбора акустических материалов с необходимыми параметрами. Методика дает возможность получать гарантированный результат, исключая необходимость доработок и тем самым экономить средства и время.

В статье приведены результаты исследований современных звукоизолирующих материалов, примененных в глушителях аэродинамического шума.

Шумоглушители разделяются на абсорбционные с поглощающим материалом и отражающие (реактивные, рефлексные) - без поглощающего материала. В отражающих глушителях уменьшение шума за глушителем достигается главным образом за счет отражения энергии набегающих на него волн. В абсорбционных - за счет превращения звуковой энергии набегающих волн в тепло в элементах глушителя. Абсорбционные глушители (пластинчатые, трубчатые, цилиндрические, канальные) эффективны в широком диапазоне частот и поэтому получили более широкое распространение.

Одним из основных вопросов акустического проектирования абсорбционных глушителей является выбор оптимальных параметров его звукопоглощающей конструкции, обеспечивающих максимальную эффективность глушителя в требуемом диапазоне частот. Эффективность глушителя зависит от физико-механических свойств звукопоглощающего материала (ЗПМ), величины его сопротивления продуванию, типа (анизотропности вдоль активного слоя), толщины слоя, расстояния между поглощающими поверхностями и от других параметров. Однако точные данные о влиянии этих параметров на акустические качества глушителей можно получить лишь в процессе экспериментальных исследований на специальных стендах.

Авторами работы были проведены испытания зависимости величины снижения уровней шума в пластинчатых и трубчатых глушителях от вида ЗПМ.

Важным практическим вопросом является акустическая эквивалентность различных ЗПМ. Известно, что волокнистый материал 1 с плотностью р1 (кг/м3) и диаметром волокна й1 (мкм) является акустически эквивалентным материалу 2 с плотностью р2 и диаметром й2 при условии равенства их импедансов, т.е.

г, = г2 (0.1)

Импеданс слоя толщиной £ , расположенный на жестком основании, может быть рассчитан по выражению:

3/2008_МГСУТНИК

г = , (0.2)

где Ж - волновое сопротивление, у (1/м) - постоянная распространения звука в волокнистой среде.

Для решения равенства с учетом используются эмпирические формулы для величин Ж и у в их комплексной форме:

W = 1 + О - ¡0 (0.3)

7 = к0(2 + О )/(1 + 0)+ ¡1(1 + О), (°.4)

где к = 2п//с° - волновое число (1/м); /- частота звука, Гц; с° - скорость звука в

воздухе (м/сек); Q - безразмерная структурная характеристика, вычисляемая из выражения:

Q = (1 - Н>0 I 8л , (0.5)

Н "У кР0С0

где /л = 185 х 105 - коэффициент динамической вязкости (Па сек); р0 - плотность воздуха (кг/м3); д0 - множитель, равный

д0 = 1 + 0.25 х104 /(1 - Н)!,

где Н = 1 — р / ре - пористость, ре - плотность материала волокна (кг/м3).

Тогда равенство с учетом - может быть сведено к равенству = 22, которое может быть записано в виде:

р^01 ^ р2^02 (0 6)

РеА Ре2^

Таким образом, для испытания были подобраны акустически эквивалентные ЗПМ:

1) Волокнистый материал с плотностью р = 41 кг/м3, диаметром волокна d =2 мкм;

2) Волокнистый материал с плотностью р = 25 кг/м3, диаметром волокна d =2 мкм;

3) Волокнистый материал с плотностью р = 46 кг/м3, диаметром волокна d =3 мкм;

4) Волокнистый материал с плотностью р = 20 кг/м3, диаметром волокна d =1 мкм;

5) Волокнистый материал с плотностью р = 12,6 кг/м3, диаметром волокна d =0,5 мкм;

6) Волокнистый материал (маты из супертонкого базальтового волокна) с плотностью р=17 кг/м3, диаметром волокна d =0,7 мкм.

Материалы использовались в пластинчатых глушителях (пластины 1000х500х100 и 1000х500х200 мм) и трубчатых круглых глушителях диаметром 160 и 315 мм, длиной активной части 900 мм (толщина слоя ЗПМ 100 мм).

Испытания проводились реверберационным методом, основанным на акустических измерениях в металлической реверберационной камере объемом 120 м3 (НИИСФ РААСН).

Схемы экспериментальных установок по определению акустических характеристик материалов представлены на рис.1 -2 .

Эффективности глушителей с соответствующей оптимальной плотностью различных ЗПМ представлены на рис.3 -6 .

ВЕСТНИК

МГСУ

3/2008

камера ^

Схема экспериментальной установки для испытания трубчатых глушителей шума. 1 - генератор белого шума; 2 - усилитель мощности; 3 - источник звука; 4 - измерительный микрофон; 5 - шумомер-анализатор спектра типа 2800 фирмы «Ларсон и Де-вис» (США)6 - соединительный воздуховод; 7 - испытываемый воздуховод (глушитель)

Рис.2. Схема экспериментальной установки для испытания пластинчатых глушителей. 1 - реверберационная камера (Укам = 120 м3); 2 - испытательный канал (сеч. 800х500 мм); 3 - источник звука; 4 - концевое поглощающее устройство; 5 - измерительный микрофон; 6 - испытываемый глушитель шума

Рис. 3. Эффективность пластинчатых глушителей шума в зависимости от ЗПМ(длина пластины

1000 мм, толщина 100 мм)

3/2008

ВЕСТНИК

.МГСУ

Рис. 4. Эффективность пластинчатых глушителей шума в зависимости от ЗПМ(длина пластины

1000 мм, толщина 200 мм)

Рис. 5. Эффективность трубчатых глушителей шума в зависимости от ЗПМ (диаметр 315 мм, длина активной части 900 мм, толщина слоя ЗПМ 100 мм)

Рис.6. Эффективность трубчатых глушителей шума в зависимости от ЗПМ (диаметр 160 мм, длина активной части 900 мм, толщина слоя ЗПМ 100 мм)

ВЕСТМГСУ 3/2008

По полученным данным следует сказать, что материал типа 1. (волокнистый материал с плотностью р = 41 кг/м3, диаметром волокна d =2 мкм) по акустическим качествам имеет определенные преимущества над другими ЗПМ, прежде все в диапазоне низких и частично средних частот (250 и 500 ГЦ), наиболее значимых при подборе глушителей. Таким образом, волокнистый материал типа 1. может быть рекомендован фирмам, изготавливающим абсорбционные (диссипативные) глушители аэродинамического шума, генерируемого вентиляторами и другими элементами вентиляционных систем, в качестве звукопоглощающего материала.

Выполненные исследования позволяют осуществлять рациональное проектирование вентиляции и кондиционирования в помещениях, которое является важным элементом комплекса мероприятий не только поддержания комфортной среды жизнедеятельности, но и обеспечения надежной и долговечной эксплуатации ограждающих конструкций в течение всего жизненного цикла зданий.