CC BY
39
О нетрадиционных методах и средствах определения теплофизических свойств материалов ограждающих конструкций зданий
В.С.Ройфе
Теоретической основой подавляющего большинства известных методов определения теплофизических свойств строительных материалов является феноменологическая теория теплопроводности, описываемая дифференциальным уравнением Фурье. При этом априори подразумевается то или иное тепловое воздействие на исследуемый материал, то есть создание в нем теплового потока. Критерием деления тепловых методов согласно принятой классификации [1] является характер временного изменения теплового воздействия на исследуемый материал. По этому признаку методы подразделяют на стационарные и нестационарные.
Применение стационарных методов, преимуществом которых является их сравнительно высокая точность, из-за длительности эксперимента ограничено лабораторными условиями, то есть возможно в основном при научных исследованиях, а в производственных условиях наличие большой влажности в контролируемых материалах вызывает существенное искажение результатов измерений и сводит на нет это преимущество.
Группа нестационарных методов, в которых на основной стадии нагрева используется регулярный режим второго рода (монотонный нагрев), базируется на теории квазистационарного теплового поля в материале при допущении неизменности свойств материала в процессе нагрева и отсутствии внутренних источников тепла [2]. Эти методы (как и стационарные) требуют равномерного распределения температуры в образце перед началом эксперимента и, строго говоря, не применимы при произвольной влажности материала. Условиям экспрессных измерений эта группа методов также не отвечает.
Наконец, нестационарные тепловые методы с начальной (нерегулярной) стадией нагрева исследуемого материала [3] характеризуются импульсным тепловым воздействием на материал (время действия теплового импульса пренебрежимо мало по сравнению с длительностью рабочей стадии измерения). Реализовывать эти методы в зависимости от конкретной задачи можно с помощью различных импульсных источников тепла, в том числе дистанционных, например лазерных. В силу принятых теоретических допущений и упрощений нестационарные тепловые методы не обеспечивают достаточной точности.
Резюмируя сказанное о традиционных методах измерения теплофизических свойств строительных материалов, важно отметить свойственный им общий недостаток, заключающийся в необходимости того или иного теплового
воздействия на объект измерения. Эта особенность делает тепловые методы малопригодными для массовых экспрессных измерений теплофизических характеристик, особенно капиллярно-пористых гетерогенных материалов, широко используемых в строительстве. При произвольной влажности этих материалов в процессе даже кратковременного нагрева в них происходит тепло- и массообмен, вследствие чего теплофизические характеристики изменяются. Повторное измерение, учитывая тепловую инерцию материала, возможно лишь спустя достаточно долгое время.
Сегодня появились новые нормативные документы [4], регламентирующие требования к теплозащите зданий, в которых предусмотрено, в частности, составление энергетического паспорта построенных зданий, для чего необходимо количественное определение теплофизических характеристик ограждающих конструкций. Очевидно, что с помощью одних традиционных тепловых методов решить эту задачу нереально.
Ранее автором была выдвинута научная гипотеза о наличии корреляционной связи между комплексами электрических и тепловых величин, характеризующих, соответственно, электрическое и тепловое поле в материале. В основе этой гипотезы лежит теория подобия [5], которая базируется на доказательстве аналогичности параметров сравниваемых процессов или явлений, причем термины «подобие» и «аналогия» следует понимать в широком смысле, то есть эти процессы или явления могут иметь совершенно разную физическую природу. На протяжении ряда лет в НИИСФ РААСН проводились теоретические и экспериментальные исследования, связанные с этим нетрадиционным подходом к методам экспериментального определения теплофизических характеристик строительных материалов, которые подтвердили справедливость выдвинутых положений [6-8].
Основными результатами проведенных исследований являются разработка и введение в действие национального стандарта, регламентирующего методику экспрессного определения теплофизических свойств строительных материалов [9], а также промышленного образца аппаратуры [10].
В качестве примера реализации нетрадиционного подхода при определении теплозащитных свойств оболочки здания - многослойных ограждающих конструкций - ниже описана новая методика, позволяющая количественно оценить их теплотехнические качества при разных вариантах расположения теплоизоляционного слоя.
98
3 2013
В современном строительстве жилых и общественных зданий применяются, как правило, многослойные ограждающие конструкции, позволяющие за счет слоя эффективного утеплителя существенно по сравнению с однослойными повысить теплозащитные качества конструкции в целом. Существует три основных варианта расположения теплоизоляционного слоя материала в ограждающей конструкции - с внутренней (теплой) стороны конструкции, внутри конструкции («сэндвич») и с наружной (холодной) ее стороны. Каждый из вариантов имеет свои достоинства и недостатки.
Вариант с расположением теплоизоляционного слоя материала с внутренней стороны обладает рядом достоинств, связанных с тем, что:
- теплоизоляционный материал, подвергающийся воздействиям внешней окружающей среды, находится в благоприятных температурно-влажностных условиях и, следовательно, не требуется его дополнительная защита от этих воздействий;
- производство работ по устройству теплозащиты может идти в любое время года независимо от способа крепления. При этом не требуется применение дорогостоящих средств подмащивания.
К основным недостаткам этого варианта расположения теплоизоляционного слоя относятся:
- уменьшение площади помещения за счет увеличения толщины стены;
- необходимость устройства дополнительной теплозащиты - с целью исключения выпадения конденсата - в местах опираний на стены плит перекрытий и в местах примыкания внутренних стен и перегородок к наружным;
- необходимость защиты теплоизоляционного материала стены от увлажнения путем устройства перед ним паро-изоляционного слоя;
- расположение хорошо аккумулирующего тепло материала стены (например, кирпичной кладки) в зоне низких температур, в значительной мере снижающее тепловую инерцию ограждения.
При втором варианте размещения слоя утеплителя (внутри ограждающей конструкции) он оказывается между внутренним и наружным слоями конструкционных материалов (бетона, кирпича, древесины и др.). В этом варианте к утеплителю предъявляются специальные требования, так как в данном случае ремонтно-восстановительные работы либо невозможны, либо слишком дороги. Основными из этих требований являются устойчивость к деформациям и влагостойкость. Данным требованиям отвечают минеральная вата, пенополистирол и стекловата, поэтому они чаще всего и применяются. Следует отметить, что внутренний и наружный слои ограждающей трехслойной конструкции должны соединяться жесткими или гибкими связями. С точки зрения теплотехники эти связи являются мостиками холода и могут значительно снизить термическое сопротивление всей ограждающей конструкции. Наибольшее снижение терми-
ческого сопротивления дает применение жестких металлических связей. Наиболее перспективный вариант в аспекте борьбы с мостиками холода представляет применение гибких стеклопластиковых связей, так как стеклопластик обладает низкой теплопроводностью, высокой прочностью, химической и деформационной стойкостью. При проектировании и эксплуатации трехслойных стен с внутренним расположением утеплителя существует еще одна проблема, связанная с конденсацией влаги внутри конструкции. Водяной пар, в результате диффузии попадающий в ее толщу, может привести к прогрессирующему отсыреванию утеплителя и постепенной потере им своих теплоизолирующих свойств. При этом утеплитель не высыхает даже в теплое время года из-за паронепроницаемости наружного слоя.
Вариант расположения теплоизоляционного слоя с наружной стороны получил достаточно широкое распространение в последние годы благодаря существенным преимуществам, к которым относятся: наличие защитной термооболочки, исключающей образование мостиков холода; отсутствие необходимости устройства пароизоляционного слоя; создание нового архитектурно-художественного облика здания; расположение хорошо аккумулирующего тепло материала стены в зоне положительных температур, повышающее тепловую инерцию ограждения и способствующее улучшению ее теплозащитных качеств при нестационарной теплопередаче; отсутствие уменьшения площади помещений.
Существенными недостатками этого варианта являются необходимость устройства в теплоизоляции надежного защитного (декоративного) слоя, а также удорожание ремонтных, отделочных и фасадных работ.
Практика натурных обследований ограждающих конструкций жилых и общественных зданий показывает, что фактические значения, полученные экспериментально, могут существенно отличаться в худшую сторону от расчетных теплофизических показателей материалов ограждающих конструкций, определяемых по [4]. Учитывая, что теплоизоляционный слой вносит основной вклад в приведенное сопротивление теплопередаче многослойной конструкции (до 90%), особое внимание в натурных испытаниях следует уделять экспериментальному определению теплозащитных свойств материала слоя теплоизоляции.
Основные операции по предлагаемой методике:
• измерение фактических значений влажности
и теплопроводности (1н, 1в) наружного и внутреннего поверхностных слоев ограждающей конструкции в соответствии с ГОСТ Р 8.621-2006 при помощи экспресс-измерителя типа ИВТП-12-2;
• вычисление значений сопротивления теплопередаче поверхностных слоев конструкции (Ян, Яв) по формулам Я = 5/ 1 и Я = 5/ 1 , где 5 и 5- толщина наружного и
н нн в вв ^нв 1
внутреннего поверхностного слоя. Величины 5н и 5в известны из проектной документации;
3 2013
99
• измерение температуры (tH, tB) на наружной и внутренней поверхностях конструкции и плотности проходящего через нее теплового потока (Q) в установившихся условиях теплопередачи в соответствии с ГОСТ 26254-84;
• вычисление значения сопротивления теплопередаче всей конструкции (Rk) по формуле Rk = At/Q, где At = tB - tH ;
• вычисление значения сопротивления теплопередаче внутреннего слоя теплоизоляции (Rt) по формуле
R = R - l/a - l/a - R - R ;
т к B H H в7
• вычисление фактического значения теплопроводности (Хт) утеплителя по формуле Хт = 5t/Rt, где 5т - толщина слоя теплоизоляции;
• вычисление влажности утеплителя (wt) по формуле wt = (Хт - Xt0)/A^w, где Хт0 - значение теплопроводности сухого утеплителя, A^w - приращение теплопроводности на 1% влажности;
• сравнение полученного значения шт с нормируемым значением допустимой влажности материала утеплителя и вывод о соответствии (несоответствии) тепловой защиты обследуемой конструкции здания нормативным требованиям.
Литература
1. Шашков А.Г. и др. Методы определения теплопроводности и температуропроводности. М.: Энергия, 1973.
2. Лыков А.В. Тепломассообмен: справочник. М.: Энергия, 1972.
3. Лыков А.В. Теория теплопроводности. М.: Высшая школа, 1967.
4. Свод правил СП 50. 13330.2012 «Тепловая защита зданий». Актуализированная редакция СНиП 23-02-2003. М., 2012.
5. Гухман А.А. Применение теории подобия к исследованиям тепло- и массообмена. М.: Высшая школа, 1967.
6. Ройфе В.С. Измерение теплофизических характеристик материалов без теплового воздействия // Измерительная техника. 2007. №9.
7. Ройфе В.С. Экспериментальное определение тепло-физических характеристик строительных материалов на основе теории подобия // Academia. 2010. № 3.
8. Royfe I/.5. Physical Meaning of Correlation between the Thermo- and Electro-Physical Characteristics of Nonmetallic Materials // Measurement Techniques. 2012. Vol. 55. Number 2.
9. ГОСТ Р 8.621-2006 ГСИ «Материалы и изделия строительные. Методика выполнения измерений влажности и теплопроводности диэлькометрическим методом». М.: Стан-дартинформ, 2006.
10. Патент РФ на промышленный образец № 82311 «Комплект экспресс-измерителя влажности и теплопроводности твердых материалов» / Патентообладатель НИИСФ РААСН. Автор В.С.Ройфе. 16.07. 2012.
Literatura
1. Shashkov A. G. i dr. Metody opredeleniya teploprovod-nosti i temperaturoprovodnosti. M.: Energiya, 1973.
2. Lykov A.V. Teplomassoobmen: spravochnik. M.: Energiya, 1972.
3. Lykov A.V. Teoriya teploprovodnosti. M.: Vysshaya shko-la, 1967.
4. Svod pravil SP 50. 13330.2012 @Teplovaya zashchita zdanij. Aktualizirovannaya redakciya SNiP 23-02-2003. M., 2012.
5. Guhman A.A. Primenenie teorii podobiya k issledovani-yam teplo- i massoobmena. M.: Vysshaya shkola, 1967.
6. Royfe V.S. Izmerenie teplofizicheskih harakteristik ma-terialov bez teplovogo vozdejstviya // Izmeritelnaya tehnika. 2007. №9.
7. Royfe V.S. Eksperimentalnoe opredelenie teplofizicheskih harakteristik stroitelnyh materialov na osnove teorii podobiya // Academia. 2010. № 3.
9. GOST R 8.621-2006 GSI «Materialy i izdeliya stroitelnye. Metodika vypolneniya izmerenij vlazhnosti i teploprovodnosti dielkometricheskim metodom». M.: Standartinform, 2006.
10. Patent RF na promyshlennyj obrazec № 82311 «Komple-kt ekspress-izmeritelya vlazhnosti i teploprovodnosti tvyordyh materialov» / Patentoobladatel NIISF RAASN. Avtor V.S.Royfe. 16.07. 2012.
About Nonconventional Methods and Means of Determination of Heatphysical Properties of Materials of Protecting Structures of Buildings. By V.S.Royfe
The new technique of experimental determination of warm physical properties of materials of protecting structures of buildings based on the theory of similarity of the thermal and electric fields, allowing to receive results of measurements without thermal impact on a material is described.
Ключевые слова: теплофизические свойства, измерения, теория подобия.
Key words: heatphysical properties, measurements, similarity theory.
100 3 2013
