CC BY
72022. Volume 3, issue 3. P. 7-15
SMART COMPOSITE IN CONSTRUCTION
НАУЧНАЯ СТАТЬЯ УДК 692.232.7
DOI: 10.52957/27821919_2022_3_7
Оценка температурно-влажностных и теплотехнических показателей каркасно-панельных стен с трехлетним периодом эксплуатации
А.А. Мамонтов, В.П. Ярцев, П.В. Монастырев
Александр Александрович Мамонтов
Тамбовский государственный технический университет, Тамбов, Российская Федерация sansanich1409@yandex.ru
Виктор Петрович Ярцев
Тамбовский государственный технический университет, Тамбов, Российская Федерация jarcev21@rambler.ru
Павел Владиславович Монастырев
Тамбовский государственный технический университет, Тамбов, Российская Федерация monastyrev68@mail.ru
© Мамонтов А.А., Ярцев В.П., Монастырев П.В., 2022
SMART COMPOSITE IN CONSTRUCTION
Посредством натурных испытаний каркасно-панельных стен с различными утеплителями, выполненных в течение трех отопительных периодов, обнаружено трехкратное увеличение влажности беспрессового пенополистирола и рост его теплопроводности на 23%. Эффективность применения данного материала в таких ограждениях на 20% ниже по сравнению с минераловатными и пенополистирольными экструзионными плитами.
Ключевые слова: влажность, испытания натурные, стены каркасно-панельные, температура, теплопроводность, утеплитель, энергозатраты
Для цитирования:
Мамонтов А.А., Ярцев В.П., Монастырев П.В. Оценка температурно-влажностных и теплотехнических показателей каркасно-панельных стен с трехлетним периодом эксплуатации // Умные композиты в строительстве. 2022. Т. 3, № 3. С. 7-15. URL: http://comincon.ru/index.php/tor/issue/view/V3N3_2022.
DOI: 10.52957/27821919_2022_3_7
2022. Volume 3, issue 3. P. 7-15
SMART COMPOSITE IN CONSTRUCTION
RESEARCH PAPER
DOI: 10.52957/27821919_2022_3_7
Assessment of temperature-humidity and heat engineering indicators of frame-panel walls with a three-year period of operation
A.A. Mamontov, V.P. Yartsev, P.V. Monastyrev
Alexander A. Mamontov
Tambov State Technical University, Tambov, Russia sansanich1409@yandex.ru
Victor P. Yartsev
Tambov State Technical University, Tambov, Russia jarcev21@rambler.ru
Pavel V. Monastyrev
Tambov State Technical University, Tambov, Russia monastyrev68@mail.ru
© Mamontov A.A., Yartsev V.P., Monastyrev P.V., 2022
SMART COMPOSITE IN CONSTRUCTION
By means of full-scale tests of frame-panel walls with a various insulation materials, performed during three heating periods, a 3-fold increase in the humidity of expanded polystyrene foam and an increase in its thermal conductivity by 23% was found. Its using efficiency in such panels is 20% lower compared to mineral wool slabs and extruded polystyrene slabs.
Key words: humidity, full-scale tests, frame-panel walls, temperature, thermal conductivity, insulation, energy consumption
For citation:
Mamontov, A.A., Yartsev, V.P. & Monastyrev, P.V. (2022) Assessment of temperature-humidity and heat engineering indicators of frame-panel walls with a three-year period of operation, Smart Composite in Construction, 3(3), pp. 7-15 [online]. Available at: http://comincon.ru/index.php/tor/issue/view/V3N3_2022 (in Russian).
DOI: 10.52957/27821919_2022_3_7
DOI: 10.52957/27821919_2022_3_7
SMART COMPOSITE IN CONSTRUCTION
ВВЕДЕНИЕ
Строительство энергоэффективных индивидуальных домов с каркасно-панельными ограждающими конструкциями в настоящее время получает всё большее распространение не только за рубежом, но и на территории нашей страны [1]. Этому способствуют малая продолжительность, относительная простота и дешевизна строительно-монтажных работ, обусловленные высокой степенью заводской готовности конструкций. Производственный контроль качества и ремонтопригодность панелей значительно увеличивают срок службы состоящего из них дома. В сравнении с традиционными ограждениями каркасно-панельные стены, характеризующиеся высокими теплоизоляционными качествами, имеют меньшую толщину, что при одинаковом пятне застройки увеличивает полезную площадь помещений.
В отечественной практике строительства домов наибольшее применение нашли каркасные панели с теплоизоляционными плитами из минеральной ваты, беспрессового или экструзионного пенополистирола. Каждый из указанных материалов имеет свои достоинства и недостатки, которые проявляются в той или иной степени в зависимости от множества факторов [2-4]. В связи с этим существует проблема выбора утеплителя, обеспечивающего наибольшую теплотехническую эффективность и эксплуатационную надежность каркасно-панельных ограждающих конструкций.
Следует полагать, что принятие верного решения должно основываться не только на основании установленных в лабораторных условиях значениях показателей качества материалов, но и с учетом конструктивных решений ограждений и протекающих при их эксплуатации процессов.
В 2013 году на территории исследовательского полигона «Испытания строительных материалов и ограждающих конструкций в натурных условиях эксплуатации» кафедры «Конструкции зданий и сооружений» Тамбовского государственного технического университета было возведено экспериментальное строение с каркасно-панельными ограждающими конструкциями (рис. 1). Стены объекта состоят из деревянного каркаса, обшитого листами гипсокартона с внутренней и декоративными цементно-стружечными плитами с внешней стороны. В качестве утеплителей в стенах установлены минераловатные, пенополистирольные беспрессовые и экструзионные плиты. Толщина теплоизоляционных слоев определялась на основании теплотехнического расчета ограждений, выполненного с учетом заявленных производителями характеристик материалов, и составила 150 мм для минераловатного и 100 мм для пенополистирольного утеплителя.
В течение трех отопительных периодов внутри объекта посредством масляного радиатора с термостатом и датчиком температуры, а также автоматического увлажнителя воздуха поддерживался заданный температурно-влажностный режим. За температурой и влажностью воздуха внутри и снаружи строения наблюдали посредством погодной станции с дистанционным датчиком, размещенным на теневой стороне объекта. В фиксированных точках стеновых ограждений на глубине 2 см от внутренней и внешней поверхностей теплоизоляционного слоя были установлены термопары открытого типа для систематического измерения температуры. Относительная влажность и теплопроводность утеплителей определялись на отбираемых образцах, устанавливаемых на прежнее место после испытания. Расход затрачиваемой на отопление электроэнергии
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
DOI: 10.52957/27821919_2022_3_7
SMART COMPOSITE IN CONSTRUCTION
рассчитывался по показаниям счетчика. На основе полученных данных проводился сравнительный анализ энергетической эффективности применения различных утеплителей в каркасно-панельных стеновых ограждениях [5].
В течение четвертого отопительного периода проводились аналогичные испытания, в ходе которых дополнительно планировалось определить характер изменений показателей теплоизоляционных материалов и ограждений в целом, вызванных трехлетней эксплуатацией объекта.
Наблюдения показали, что при относительно постоянной влажности наружного воздуха (65%) влажность внутреннего уменьшилась на 45% в течение первых 5 недель испытаний и осталась такой до конца отопительного периода. Снижение влажности внутреннего воздуха вызвано интенсивной работой отопительного прибора и отсутствием в строении оконных проемов и принудительной вентиляции.
Исследование влажности утеплителей в стенах выявило наибольшее её значение (10%) в слое из беспрессовых пенополистирольных плит ПСБ-С-15. Это в три раза больше влажности, зафиксированной в первый год эксплуатации объекта. Рост влажности, вероятно, вызван увеличением объема открытой пористости, что обусловлено деструкцией пенополистирола, происходящей в течение нескольких лет [6]. Влажность минераловатных и экструзионных пенополистирольных плит в первые восемь недель не превышала 3%, а затем уменьшилась до 1% (рис. 2).
При исследовании температурного режима измерялись температуры воздуха внутри и снаружи строения, а также температуры поверхностей теплоизоляционных слоев в стенах (рис. 3). В период с установившимися отрицательными температурами средняя температура внутреннего воздуха составляла 19 °С, а наружного - минус 6 °С. Средняя температура теплоизоляционных слоев находилась в пределах от 10 до 18 °С. Минимальное значение наблюдалось в минераловатных плитах с гидро-ветрозащитной мембраной, а максимальное -в пенополистирольных экструзионных плитах.
По результатам измерения температур на противоположных гранях теплоизоляционных слоев определялась величина их удельного перепада (°С/м), среднее значение которой составило: в слое из минераловатных плит с гидро-ветрозащитной мембраной - 101; в слое из минераловатных плит - 97; в слое из экструзионного пенополистирола - 123; в слое из
Рис. 1. Общий вид экспериментального строения Fig. 1. General view of the experimental structure
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
DOI: 10.52957/27821919_2022_3_7
SMART COMPOSITE IN CONSTRUCTION
беспрессового пенополистирола - 67. Минимальным перепадом отличалась изоляция из беспрессового пенополистирола ПСБ-С-15, что обусловлено его повышенной эксплуатационной влажностью и наибольшим значением коэффициента теплопроводности. Максимальное значение для экструзионного пенополистирола является весьма характерным, учитывая его наименьшую из рассматриваемых утеплителей влажность и теплопроводность.
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011133141361ЛЯ92ШЕ223 Недели
■'Стенд. Мннватэ с ветрозащитой
- Стена. ПЕНОПЛЭКС
- Стена. Мвта без ветрогишггы -Стена. ПСБ-С
-*-Отенз, Мммвлтд с ветрспяиигтпп -»■Стена Минвята бег ветрозащиты
Рис. 2. Изменение относительной влажности утеплителей в течение отопительного периода Fig. 2. Change in relative humidity of insulation during the heating period
Рис. 3. Изменение температуры воздуха внутри и снаружи строения, температуры утеплителей в течение отопительного периода Fig. 3. Change in air temperature inside and outside the building, insulation temperature during the heating period
Приведенное сопротивление теплопередаче каркасно-панельных стен при их одинаковой конструкции и разных утеплителях определяется в большей степени термическим сопротивлением последних. Термическое сопротивление теплоизоляционного слоя прямо пропорционально перепаду температур по его толщине [7]. На основании полученных результатов можно заключить, что? по сравнению со стеной, утепленной беспрессовым пенополистиролом, сопротивление теплопередаче стены с минераловатными плитами больше в 1.5 раза, а стены с экструзионным пенополистиролом - в 1.8 раза.
Ежемесячные измерения коэффициента теплопроводности образцов, извлекаемых из теплоизоляционных слоев стеновых ограждений, показали стабильность их теплофизических характеристик в течение отопительного периода. Наибольшее значение, составляющее в среднем 0.054 Вт/(м^К), отмечалось у беспрессового пенополистирола ПСБ-С-15. Для изоляции из минераловатных плит коэффициент теплопроводности составил 0.037 Вт/(м^К). Минимальной теплопроводностью (0.034 Вт/(м^К)) отличалась изоляция из экструзионного пенополистирола.
Результаты натурных испытаний, выполненных спустя три года, выявили увеличение на 23% теплопроводности беспрессового пенополистирола. За такой же период эксплуатации теплопроводность минераловатных плит и экструзионного пенополистирола увеличилась всего на 3%. Подобное негативное изменение характеристик беспрессового пенополистирола обусловлено его низкой плотностью (7.2 кг/м3) и особенностями макростроения, что необходимо учитывать при проектировании каркасно-панельных стен с его применением [8]. Данный материал характеризуется нестабильностью свойств во времени, что обусловлено, в первую очередь, особенностями его макростроения, которое оказывает превалирующее влияние на свойства изделий [9]. В этом плане применение плит из экструзионных материалов, отличающихся высокой стабильностью свойств во времени [10], является предпочтительным.
DOI: 10.52957/27821919_2022_3_7
SMART COMPOSITE IN CONSTRUCTION
В течение отопительного периода фиксировались показания счетчика потребления электроэнергии с целью определения её расхода на отопление экспериментального строения с площадью 9 м2. Среднее значение суточного расхода электроэнергии составило 14 кВт^ч, а полное значение энергозатрат за последний отопительный период - 2243 кВт^ч.
ВЫВОДЫ
Учитывая полученное экспериментально соотношение величин приведенных сопротивлений теплопередачи стен, а также соответствующее распределение между ними тепловых потерь, можно констатировать, что утепление каркасно-панельных стен беспрессовым пенополистиролом низкой плотности сопровождается увеличенным на 20% потреблением энергии на отопление объекта по сравнению с минераловатными и экструзионными плитами. В каркасных ограждающих конструкциях рекомендуется применять плиты беспрессового пенополистирола с плотностью не менее 35 кг/м3 либо использовать плиты экструзионного пенополистирола, отличающиеся равномерной мелкоячеистой и закрытопористой структурой, стабильностью свойств во времени.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Zaborova D.D., Musorina T.A. Environmental and energy-efficiency considerations for selecting building envelopes // Sustainability. 2022. Vol. 14. No 10. P. 5914. URL: https://doi.org/10.3390/su14105914
2. Ivantsov A.I. Comparative longevity of enclosing structures depending on climatic conditions and architectural and constructive characteritcs of buildings // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2018. P. 022077. DOI: 10.1088/1757-899X/463/2/022077
3. Gamayunova O., Musorina T., Petrichenko M., Goremikins V. Warming of panel houses in various climatic zones // Proceedings of EECE 2019. Energy, Environmental and Construction Engineering. Cham, 2020. P. 253-263. DOI: 10.1007/978-3-030-42351-3_22
4. Dileep Kumar, Morshed Alam, Patrick X.W. Zou, Jay G. Sanjayan, Rizwan Ahmed Memon.
Comparative analysis of building insulation material properties and performance // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2020. Vol. 131. P. 110038. URL: https://doi.org/10.1016/j.rser.2020.110038
5. Ярцев В.П., Струлев С.А., Мамонтов А.А. Обоснование выбора теплоизоляционных материалов для ограждающих конструкций каркасно-щитового здания // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Физико-химические проблемы и высокие технологии строительного материаловедения. 2015. № 1 (10). С. 15-20.
6. Мамонтов С. А., Киселева О.А. Влияние старения на структуру и свойства пенополистирола // Пластические массы. 2011. № 5. С. 3-5.
7. Фокин К.Ф. Строительная теплотехника ограждающих частей зданий. М.: Стройиздат, 1973. 287 с.
8. Mihlayanlar E., Dilma^ §., Guner A.. Analysis of the effect of production process parameters and density of expanded polystyrene insulation boards on mechanical properties and thermal conductivity // Materials & Design. 2008. Vol. 29(2). P. 344-352. URL: https://doi.org/10.1016/j.matdes.2007.01.032
9. Егорова, Е.И., Коптенармусов В.Б. Основы технологии полистирольных пластиков. СПб.: ХИМИЗДАТ, 2005. 272 с.
10. Аношин Н.М., Аракелян А.С., Беноганян Н.В. [и др.]. Решение задач в области энергоэффективности. Екатеринбург: Изд-во «Аграф». 2019. 214 с.
DOI: 10.52957/27821919_2022_3_7
SMART COMPOSITE IN CONSTRUCTION
Поступила в редакцию 23.08.2022 Одобрена после рецензирования 02.09.2022 Принята к опубликованию 15.09.2022
REFERENCES
1. Zaborova, D.D. & Musorina, T.A. (2022) Environmental and energy-efficiency considerations for selecting building envelopes, Sustainability, 14(10), pp. 5914 [online]. Available at: https://doi.org/10.3390/su14105914
2. Ivantsov, A.I. (2018) Comparative longevity of enclosing structures depending on climatic conditions and architectural and constructive characteritcs of buildings, IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 022077. DOI: 10.1088/1757-899X/463/2/022077.
3. Gamayunova, O., Musorina, T., Petrichenko, M. & Goremikins, V. (2020) Warming of panel houses in various climatic zones, Proceedings of EECE 2019. Energy, Environmental and Construction Engineering. Cham., pp. 253-263. DOI: 10.1007/978-3-030-42351-3_22.
4. Dileep Kumar, Morshed Alam, Patrick X.W. Zou, Jay G. Sanjayan & Rizwan Ahmed Memon (2020) Comparative analysis of building insulation material properties and performance, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 131, 110038 [online]. Available at: https://doi.org/10.1016/j.rser.2020.110038
5. Yarcev, V.P., Strulev, S.A. & Mamontov, A.A. (2015) Justification of the choice of heat-insulating materials for protecting designs of the frame and panel board building, Nauchnyj vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo arhitekturno-stroitel'nogo universiteta. Seriya: Fiziko-himicheskie problemy i vysokie tekhnologii stroitel'nogo materialovedeniya, 1(10), pp. 15-20 (in Russian).
6. Mamontov, S.A. & Kiseleva, O.A. (2011) The influence of the ageing process on the structure and characteristics of the polysterene foam, Plasticheskie massy, (5), pp. 3-5 (in Russian).
7. Fokin, K.F. (1973) Construction heat engineering of enclosing parts of buildings. M.: Stroyizdat (in Russian).
8. Mihlayanlar, E., Dilmaç, §. & Guner, A. (2008) Analysis of the effect of production process parameters and density of expanded polystyrene insulation boards on mechanical properties and thermal conductivity. Materials & Design. 29(2), pp. 344-352 [online]. Available at: https://doi.org/10.1016/j.matdes.2007.01.032
9. Egorova, E.I. & Koptenarmusov, V.B. (2005) Fundamentals of polystyrene plastics technology. St. Petersburg: HIMIZDAT (in Russian).
10. Anoshin, N.M., Arakelyan, A.S. Benogonyan, N.V. & [et al.]. (2019) Solving problems in the field of energy efficiency. Yekaterinburg: Publishing house "Agraf" (in Russian).
Recernd 23.08.2022
Approved after reviewing 02.09.2022
Accepted 15.09.2022
