CC BY
27
строительные науки О влиянии выбора конструктивного решения и технологии изготовления на повышение теплотехнической
строительная теплофизика и энергосбережение однородности и долговечности ограждающих конструкций А.Е. Николаев
МГСУ
Здания и сооружения потребляют около 45% всей вырабатываемой в стране тепловой энергии и относятся к числу ее основных потребителей. Сокращение запасов минерального сырья и ископаемого органического топлива и, как следствие, их удорожание обуславливает разработку и применение комплексного подхода к осуществлению энерго- и ресурсосберегающих мероприятий при проектировании, строительстве и эксплуатации зданий и систем обеспечения микроклимата.
Современные высокие требования к энергосбережению и теплозащите зданий в РФ привели к использованию новых типов многослойных ограждающих конструкций с применением эффективных теплоизоляционных материалов. Однако срок службы этих материалов значительно ниже, чем у конструкционных материалов, используемых в составе комплексной конструкции. Кроме того, в эксплуатационных условиях их физико-механические свойства значительно изменяются. Большинство эффективных утеплителей зарубежного производства не в полной мере удовлетворяют широкому спектру климатических параметров РФ. Это приводит к необходимости неоднократной замены (и, соответственно, воспроизводства) утеплителя в процессе эксплуатации в течение жизненного цикла основной системы жизнедеятельности человека, с вытекающими не только техническими и организационными проблемами, но и главной — энергосбережения.
С целью повышения энергетической и эксплуатационной эффективности многослойных стен было предложено применение индустриальных изделий — трехслойных элементов (блоков, стеновых панелей, плит покрытия) с теплоизоляционным слоем из бетона низкой теплопроводности, монолитно связанным с наружными слоями из конструкционного или конструкционно-теплоизоляционного бетона (рис. 1). Отличительной особенностью изготовления данной конструкции является последовательная укладка в форму всех слоев в едином технологическом цикле, что обеспечивает их надежное сцепление и устраняет необходимость установки стальных или дискретных связей между слоями (для блоков и в ряде случаев — для панелей и плит). При этом трудоемкость их изготовления практически не отличается от однослойных конструкций.
Сравнительный анализ результатов теплотехнических расчетов показал, что наиболее эффективно применение в наружных слоях трехслойных ограждающих конструкций индустриального изготовления конструкционных бетонов на пористых заполнителях. Это позволяет в большинстве регионов для трехслойных стеновых панелей использовать существующий на производстве парк опалубочных форм.
При этом масса трехслойных панелей за счет использования в среднем слое бетона низкой средней плотности не превышает массу выпускавшихся ранее однослойных панелей из легких бетонов. Поэтому для них может быть использовано существующее крановое оборудование как на заводах, выпускающих железобетонные конструкции, так и на строительной площадке.
Разработанными конструктивными решениями для наружных слоев стеновых панелей предусмотрено применение бетонов на пористых заполнителях класса по прочности B7.5 (М100) средней плотности 1000...1200 кг/м3 (например, керамзитобе-тон, шунгизитобетон, шлакопемзобетон, перлито-бетон, аглопоритобетон, бетон на зольном гравии и др.). В среднем слое панелей эффективно использование теплоизоляционных легких бетонов класса по прочности на сжатие не ниже B0.75 (М10) средней плотности не выше 400 кг/м3, обладающих однородной структурой, достаточной прочностью в свежеуложенном состоянии для выдерживания нагрузки от вышележащего слоя, гидравлической активностью вяжущих, безавтоклавным твердением. Комплексными исследованиями выявлено, что одним из наиболее перспективных материалов для теплоизоляционного слоя многослойных конструкций является полистиролбетон средней плотности 200.400 кг/м3, прочностью 5.15 кг/см2. Использование в качестве заполнителя гравия, получаемого вспениванием полисти-
Рисунок 1. Ограждающие конструкции с теплоизоляционным слоем из бетонов низкой теплопроводности: блоки (сверху), панели (слева снизу), плиты (справа снизу).
строительная теплофизика и энергосбережение
рольного бисера, обеспечивает низкую плотность и теплопроводность, а цементная матрица формирует структурную прочность такого вида бетона. Таким образом, используются как теплоизоляционные свойства бетонов низкой прочности, так и конструкционные — за счет вовлечения их в совместную работу с наружными слоями. Толщина среднего слоя определяется теплотехническим расчетом в зависимости от регионального расположения зданий и назначения помещений.
С целью автоматизации расчета и проектирования ограждающих конструкций с применением вычислительного комплекса МЛТЬЛВ была разработана специализированная компьютерная программа, в которой рассмотрен новый подход к разработке ограждающей конструкции, позволяющий проследить влияние геометрических, физических или теплотехнических характеристик материалов многослойной конструкции на другие ее показатели в заданных климатических условиях района строительства. Варьируя те или иные показатели конструкции, можно проследить динамику соответствующего изменения остальных величин.
Для определения рациональных сочетаний материалов наружных и внутренних слоев в программе был произведен вариационный расчет стеновой конструкции, выполненной в виде кладки из трехслойных блоков (при отсутствии раствора конструкция может рассматриваться как плита, либо панель). Граничными условиями расчета являлись требуемое приведенное термическое сопротивление кладки (с учетом влияния растворных швов при использовании различных видов кладочного раствора), а также нормативные требования по тепловлажностно-
Плотность в сухом состоянии Х0, кг/м Коэффициент теплопроводности в сухом состоянии Х0, Вт/(м-°С) Расчетный Коэффициент теплопроводности X, Вт/(м-°С) Коэффициент паропроницаемости [1, мг/(м-ч-Па) Воздухопроницаемость слоя в 1 мм м2 ч*Па/кг
Материалы наружных слоев
Керамзитобетон
1400 0,470 0,650 0,098 1,310
1200 0,360 0,520 0,110 1,400
1000 0,270 0,410 0,140 1,560
Тяжелый бетон, мелкозернистый бетон
2400 1,510 1,860 0,030 196,200
Материалы внутренних слоев
Полистиролбетон
300 0,085 0,110 0,100 0,790
200 0,065 0,080 0,120 0,790
Таблица 1. Теплотехнические характеристики материалов.
330 5 2009
Рисунок 2. Основные конструктивные параметры кладки из трехслойных блоков, где: аы=400 мм — ширина блока, Ьы=200 мм — высота блока, Л^ — толщина блока, равная толщине стены.
му режиму конструкции наружного ограждения. Расчеты производились для Московских климатических условий. Перечень материалов для проведения численных исследований и их теплотехнических характеристик приведен в таблицах 1 и 2.
Конструкция стены представляет собой кладку из блоков с наружными слоями равной толщины 81 = 83 в интервале от 20 до 50 мм с шагом 5 мм при толщине стены AW = 400, 450 и 500 мм. Толщина слоя раствора (одинаковая по вертикали и горизонтали) 8соы = 10 мм (рис. 2). При нулевой толщине раствора конструкцию можно рассматривать как однородную (панель или плиту перекрытия).
За исходные данные при выполнении каждого из расчетов принимались толщина стены, характеристики материалов растворного шва и слоев блока, параметры микроклимата помещения и характеристики здания. В ходе расчета производится ва-
строительная теплофизика и энергосбережение
Название Плотность в сухом состоянии кг/м3 Расчетный коэффициент теплопроводности X, Вт/(м-°С)
Кладка с термовкладышами
Раствор цементно-песчаный 1800 0,930
Термовкладыш вспененный полиэтилен 80 0,054
Обычные растворы
Цементно-песчаный 1800 0,930
Теплые растворы
Цементно-шлаковый 1400 0,640
Цементно-перлитовый 1000 0,300
Таблица 2. Теплотехнические характеристики растворов.
Рисунок 3.
Пример
номограммы
значений
приведенного
сопротивления
теплопередаче
кладки из
трехслойных
блоков.
рьирование с заданным шагом всех возможных комбинаций толщин слоев, при которых определяются значения искомых характеристик ограждающей конструкции. В результате выдаются контурные графики (номограммы) полученных значений в зависимости от изменения толщин слоев (например, рис. 3, 4), а также области значений толщин наружных и внутреннего слоев, для которых результаты вычислений удовлетворяют требованиям нормативных документов.
По результатам всех расчетов выводится суммарная область возможных значений (рис. 5), для которых можно произвести дополнительные расчеты, и произвести более детальное их изучение (рис. 6, 7, 8). Программа позволила на основе многовариантного сравнения определить рациональные области применения многослойных элементов в зависимости от геометрических и теплотехнических параметров слоев и кладочного раствора при заданных толщинах стены (400, 450 и 500 мм).
строительная теплофизика и энергосбережение
Рисунок 4. Пример
номограммы
значений
требуемого
сопротивления
паропроницанию
кладки из
трехслойных блоков из условий отсутствия влагонакопления в период года с максимальными отрицательными температурами и ограничения накопления влаги за зимний период.
Рисунок 5. Пример области значений толщин наружных слоев трехслойных блоков,
удовлетворяющих всем расчетам.
строительная теплофизика и энергосбережение
Рисунок 6. Графики падения температуры в толще конструкции в различные периоды года.
Рисунок 7. Графики упругости водяного пара в толще конструкции и упругости насыщенного водяного пара при данной температуре в точке конструкции в различные периоды года.
строительная теплофизика и энергосбережение
Рисунок 8. Графики распределения относительной влажности в толще конструкции в различные времена года.
Толщина стены, мм Материалы Толщины наружных слоев
№ Шва Слоев блока 20 25 30 35 40 45 50
наружных внутреннего
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
1 ТВ, кл КБ 1400 + + + +
2 КБ 1200 ПСБ 300 + + + + + +
3 400 КБ 1000 + + + + + +
4 КБ 1400 + + +
5 цш КБ 1200 ПСБ 200 + + + +
6 КБ 1000 + + + +
7 КБ 1400 + + + + +
8 ЦП КБ 1200 ПСБ 300 + + + + + +
9 450 КБ 1000 + + + + + + +
10 КБ 1400 + + + +
11 цш КБ 1200 ПСБ 200 + + + + +
12 КБ 1000 + + + + + + +
13 КБ 1400 + + + + + +
14 цш КБ 1200 ПСБ 300 + + + + + +
15 500 КБ 1000 + + + + + + +
16 КБ 1400 + + + + +
17 ЦПч КБ 1200 ПСБ 200 + + + + +
18 КБ 1000 + + + + + + +
Таблица 3. Рациональные варианты конструктивного исполнения блоков.
334
2009
5
строительная теплофизика и энергосбережение
По результатам аналитических исследований получены зависимости между геометрическими и теплофизическими параметрами трехслойных элементов с монолитной связью слоев. Рациональные сочетания материалов слоев, полученные с помощью программы, приведены в таблице 3.
По результатам численных исследований построены зависимости между геометрическими и физико-механическими параметрами трехслойных элементов с монолитной связью слоев. Как показали исследования, наиболее рационально изготавливать ограждающие конструкции толщиной 400 мм, используя для наружных слоев керамзитобетон плот-
ностью 1000 кг/м3, в качестве утеплителя — поли-стиролбетон плотностью 300 кг/м3. Для мелкоштучных элементов кладку целесообразно вести на клею, либо использовать термовкладыши из вспененного полиэтилена или аналогичных материалов.
Теплопроводность раствора для кладки трехслойных блоков оказывает значительное влияние на приведенное сопротивление теплопередаче конструкции стен. Использование теплого раствора, клея или термовкладышей из вспененного полиэтилена вместо обычного цементно-песчаного раствора позволяет снизить толщину стены на 20—25%.
