Повышение теплозащитных характеристик керамзитобетонных ограждающих конструкций с помощью экранной тепловой изоляции Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 699.86

М.Е. САПАРЕВ, инженер, Ю.С. ВЫТЧИКОВ, канд. техн. наук, Самарский государственный архитектурно-строительный университет

Повышение теплозащитных характеристик керамзитобетонных ограждающих конструкций с помощью экранной тепловой изоляции

Реализация целевой программы по энергосбережению в области строительства подразумевает использование многослойных наружных ограждающих конструкций, в которых можно выделить конструктивный и теплоизоляционный слои. В качестве теплоизоляции в таких конструкциях традиционно используются эффективные полимерные теплоизоляционные материалы. Однако использование в качестве среднего слоя полимерного материала в трехслойных наружных стенах может привести в ряде случаев к накоплению влаги в ограждении. [1]

Одним из вариантов, позволяющих избежать использования утеплителей на полимерной или волокнистой основе, является возведение наружных ограждений из керамзитобетона. Это возможно при использовании керамзитобетона, обеспечивающего нормативное значение сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции, указанного в СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий».

В современном строительстве широко используются стеновые камни из керамзитобетона плотностью 700— 800 кг/м3. Ограждающие конструкции из таких камней имеют достаточно высокую прочность, однако они, как правило, не обеспечивают необходимого значения сопротивления теплопередаче.

Увеличение сопротивления теплопередаче за счет изменения формы керамзитовых камней требует внесения значительных изменений в существующие технологические линии производства. Кроме того, часто возникает необходимость повышения сопротивления теплопередаче уже существующих ограждающих конструкций.

Одним из способов повышения теплозащитных свойств является применение экранной тепловой изоляции. Ее преимуществом является то, что в качестве теплоизолятора используется также воздух, обладающий низким значением теплопроводности. Указанная выше теплоизоляция имеет малую объемную массу, негигроскопична, применима при повышенной и низкой температуре. Утепление стен с помощью экранной изоляции можно производить как снаружи, так и изнутри здания.

В настоящее время на отечественном рынке представлен большой выбор подобных теплоизоляционных материалов как российского, так и зарубежного производства. К ним относятся материалы на основе вспененного полиэтилена с экранной изоляцией из алюминиевой фольги. Подобную теплоизоляцию изготавливают с односторонним (Пенофол, Магнофол и др.) и двусторонним (А1иШегто ОиЛТЯО, Изолон, Теплофол и др.) фольгированием. Также на рынке присутствуют материалы из минеральной ваты, кашированные алюминиевой фольгой.

Экранную изоляцию в строительных конструкциях целесообразно использовать в виде пакета, который представляет собой совокупность материалов с малой поглощательной и большой отражательной способностями экранов с воздушными невентилируемыми прослойками между ними.

Теплотехнический расчет ограждающих конструкций с применением экранной изоляции требует информации о ее теплозащитных характеристиках, а также о теплозащитных свойствах замкнутых воздушных прослоек. Имеющиеся различия в закономерностях лучистого теплообмена, теплопроводности и конвекции, которые участвуют в процессе теплопередачи через воздушные прослойки, осложняют получение подобной информации. При оценке теплозащитных свойств воздушных прослоек используется комплексный подход, позволяющий учесть все составляющие в процессе те-плопереноса.

Об эффективности воздушных прослоек в совокупности с экранной изоляцией применительно к ограждающим конструкциям упоминается в работе [2]. В работе [3] отмечаются высокие эксплуатационные свойства и постоянство отражающей способности алюминиевой фольги и термического сопротивления воздушной прослойки даже при неблагоприятных условиях.

Применение алюминиевой фольги в воздушных замкнутых прослойках повышает согласно СП 50.13330.2012 термическое сопротивление материала примерно в два раза. Указанная выше рекомендация является весьма приближенной и не учитывает особенностей процессов сложного теплообмена в воздушных прослойках.

Для более детального исследования теплозащитных свойств замкнутых воздушных прослоек авторами предложена методика теплотехнического расчета, описанная в работе [4].

В целях упрощения расчета процесса сложного теплообмена в воздушных прослойках в работе [5] предложено использовать понятие эквивалентного коэффициента теплопроводности, определяемого по формуле:

^экв =А,иек+ал5,

(1)

где ХМ — молекулярный коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/(м.оС); еК — поправочный коэффициент, учитывающий дополнительный перенос тепла путем конвекции; аЛ — коэффициент теплоотдачи излучением, Вт/(м2.оС); б — толщина воздушной прослойки, м.

Для определения еК можно использовать приближенную зависимость, полученную М. А. Михеевым при 103<0гРг<106: „,

ек =0,105((ЗгРг) '

Величину аЛ определяют по формуле:

С0

г, +273 100

V

'и +273^

100

а„=- .

Е! е2 }

где Со=5,67 Вт/(м2.К4) — коэффициент излучения абсолютно черного тела; е1, е2 — степень черноты внутренних поверхностей прослойки.

научно-технический и производственный журнал Е^ТЯО/ГГ~ J\ilг\i>\Z 12 ноябрь 2013 ~ Ы ®

Таблица 1

Положение воздушной прослойки Термическое сопротивление экранной теплоизоляции Rм, (м2.оС)/Вт Термическое сопротивление воздушной прослойки Rв, (м2.оС)/Вт Суммарное термическое сопротивление фрагмента конструкции ^пр, (м2.оС)/Вт

Вертикальная воздушная прослойка (рис. 2, а) 0,213 0,437 0,65

Горизонтальная воздушная прослойка (рис. 2, б) 0,213 0,467 0,68

Горизонтальная воздушная прослойка (рис. 2, в) 0,213 0,639 0,852

Рис. 1. Номограмма для определения толщины воздушной прослойки

Для определения величин, входящих в формулу (1), рекомендуется использовать изложенный ниже метод последовательных приближений, разработанный авторами.

Предварительно задаются значения температуры на внутренних поверхностях воздушной прослойки, с использованием которых определяются величины Хэкв и термического сопротивления воздушной прослойки. После их определения рассчитываются сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции, значения температуры внутренних поверхностей воздушной прослойки Ц и ?2 и уточняется величина Хэкв. Расчет выполняется несколько раз по достижении заданной точности.

Данная методика позволяет учесть влияние направления теплового потока, отражательные способности и значение температуры ограничивающих поверхностей на термическое сопротивление воздушной прослойки.

В целях упрощения решения рассматриваемой задачи предлагается использовать номограмму, представленную на рис. 1, позволяющую определить требуемую толщину воздушной прослойки при расположении ее с внутренней поверхности наружной стены. В качестве исходных данных используются нормативные значения приведенного сопротивления теплопередаче, а также сопротивление теплопередаче неутепленной наружной стены.

Для проверки изложенной методики проведен эксперимент, целью которого являлось определение теплопроводности экранированных воздушных прослоек при различных направлениях вектора теплового потока.

В ходе эксперимента рассматривались варианты конструкций (рис. 2, а—в) с различными направлениями теплового потока, проходящего через них. Подробная методика проведения эксперимента описана в работе [6]. Значения экспериментальных данных приведены в табл. 1.

Теплотехнический расчет наружной стены жилого здания выполнен для условий Самары с применением стеновых камней из керамзитобетона плотностью 700-800 кг/м3 (рис. 3). Фрагмент рассматриваемой ограждающей конструкции представлен на рис. 4.

В расчете использованы следующие обозначения: б — толщина слоя, м; у — плотность материала в сухом состоянии, кг/м3; X — коэффициент теплопроводности материала в условиях эксплуатации А, Вт/(м.оС); Е^ — приведенное сопротивление теплопередаче, м2.оС/Вт; К** — сопротивление теплопередаче глади стены, м2.оС/Вт; г — коэффициент теплотехнической однородности, принимаемый согласно СП 23-101—2004; аВ, аН — значения коэффициентов теплоотдачи со стороны внутренней и наружной поверхности соответственно, Вт/(м-С);

5. ,

Я. — — термическое сопротивление слоя, м2.°С/Вт.

ограждаощая конструкция экранная изоляция

ша

воздушнаяI прослойка

Рис. 2. Варианты конструкций

Рис. 3. Рассматриваемые стеновые камни из керамзитобетона

а

Г; научно-технический и производственный журнал

^ ® ноябрь 2013 13~

Рис. 4. Фрагмент наружной стены: 1 - цементно-песчаный раствор (б1=0,01 м, 71=1800 кг/м3, Х1=0,76 Вт/(моС));

2 - кладка из керамзитовых камней на цементно-песчаном растворе (б2=0,39 м, 72=790 кг/м3, ^=0,249 Вт/(моС));

3 - цементно-песчаный раствор (б3=0,01 м, 73=1800 кг/м3, Х3=0,76 Вт/(моС)); 4 - фактурное покрытие фасадной системы (б4=0,005 м, 74=1800 кг/м3, Х4=0,7 Вт/(моС))

Рис. 5. Фрагмент утепленной наружной стены: 1 - гипсо-картонные листы (б,=0,01 м, 7,=1050 кг/м3, Х,=0,34 Вт/(моС); 2 - воздушная прослойка (б2=0,015 м); 3 - пенофол (б3=0,01 м, 73=54 кг/м3, Х3=0,047 Вт/(моС)); 4 - кладка из керамзитовых камней на цементно-песчаном растворе (б4=0,39 м, 74=790 кг/м3, Х=0,249 Вт/(моС)); 5 - цементно-песчаный раствор ( б5=0,01 м, 75=1800 кг/м3, ^=0,76 Вт/(моС)); 6 - фактурное покрытие фасадной системы (б6=0,005 м, 76=1800 кг/м3, Х6=0,7 Вт/(моС))

1. Определяется требуемое сопротивление теплопередаче исходя из санитарно-гигиенических и комфортных условий согласно СП 50.13330.2012:

*„7

"О _ 1(20 + 30)

= 1,44 м2.оС/Вт,

Д*н-ав 4-8,7 где Л*Б — нормируемый температурный перепад между температурой внутреннего воздуха (в и температурой внутренней поверхности ограждающей конструкции Тв, оС, принимается по СП 50.13330.2012.

2. Вычисляется нормируемое значение приведенного сопротивления теплопередаче наружной стены согласно СП 50.13330.2012 по формуле:

ЩГ = Ктр,

где И^ — базовое значение требуемого сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции, м2.оС/Вт, принимаемое в зависимости от градусо-суток отопительного периода (ГСОП), °С-сут/год, региона строительства и определяемое по таблице 3 СП 50.13330.2012; тр— коэффициент, учитывающий особенности строительства региона для Самарской области для наружных стен тр=0,63.

ГСОП = (гв - О • Zoп = (20 + 5,2) • 203 = 5117 оС сут,

где (ои — средняя температура наружного воздуха за отопительный период, оС, принимается по СП 131.13330.2012 «Строительная климатология»; — продолжительность отопительного периода, сут, принимается по СП 131.13330.2012.

По таблице 3 СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий для наружных стен жилых зданий» определяется значение величины К^:

Тогда

R? = 3,19 м2-оС/Вт.

= ЗД9 • 0,63 = 2 м2оС/Вт

3. Определяется сопротивление теплопередаче глади наружной стены:

titoi 1 V n 1 1 U,U1 русл=-+Х р +-_-+ _>-+

^ Г. ¿-I ' ~ ЯП (\ Н(.

1 1 0,01 0,39

«, м ан 8>7 °'76 °>249

0,01 0,005 1 , „с 2 о„ „

+ ——+—-+ — = 1,75 м2.оС/Вт

0,76 0,7 23

4. Значение приведенного сопротивления теплопередаче наружной стены определяется при г =0,9:

И? = rR-f* = 0,9 • 1,75 = 1,58, м2оС/Вт.

Анализируя результаты расчета, можно сделать вывод, что приведенное сопротивление теплопередаче рассматриваемой конструкции наружной стены оказалось ниже сопротивления теплопередаче, соответствующего условиям энергосбережения. Поэтому для выполнения нормативных требований необходимо повышение теплозащитных свойств рассматриваемой конструкции за счет применения экранной изоляции.

Фрагмент наружной стены, утепленной с помощью экранной изоляции, представлен на рис. 5.

Зная сопротивление теплопередаче глади неутепленной наружной стены и нормируемое значение сопротивления теплопередаче при г=0,9 по номограмме, представленной на рис. 1, можно определить необходимую толщину воздушной прослойки. Для выполнения требований теплозащиты достаточно применения воздушной прослойки толщиной 10 мм, однако из конструктивных соображений принимается воздушная прослойка толщиной 15 мм. Значение эквивалентного коэффициента теплопроводности по результатам расчета составило 0,038 Вт/(м.оС).

Определим сопротивление теплопередаче глади утепленной стены:

1 0,01 0,015 0,01 0,39

- +

+ -

-+-

- +

8,7 0,34 0,038 0,047 0,249

0,01 0,005 1 „ „, 2о„т + —— + —-+ — = 2,41 м2.оС/Вт.

0,76 0,7 23

Согласно СП 50.13330.2012 расчет приведенного сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций рекомендуется производить с использованием построения двумерных температурных полей. Для этого применяется специально разработанная методика, базирующаяся на методе конечных элементов, реализованном с помощью специализированной программы THERM 6.3, предназначенной для решения двумерных задач теплопроводности и диффузии водяного пара в строительных ограждающих конструкциях здания.

Рис. 6. Фрагмент расчетной схемы утепленной наружной стены: 1 - гипсокартонные листы;

2 - воздушная прослойка;

3 - пенофол; 4 - металлический профиль; 5 - саморез; 6 - кладка из керамзитовых камней на цементно-песчаном растворе;

7 - цементно-песчаный раствор;

8 - фактурное покрытие фасадной системы

научно-технический и производственный журнал QTfJfJ^JTi JJbllbJ" 14 ноябрь 2013 ~ Ы ®

На рис. 6 представлен фрагмент расчетной схемы утепленной стены.

В результате получается температурное поле в условиях эксплуатации А (рис. 7).

Приведенное сопротивление теплопередаче определяем по формуле:

Я =--, м2 оС/Вт,

^ «Л-о

где тв ср — средняя температура, °С, внутренней поверхности ограждающей конструкции, рассчитывается на основе полученных температурных полей, тв ср.=17,4 оС.

Тогда

20-(-30)

■ = 2,21м2-°С/Вт.

8,7(20-17,4)

Как показали результаты расчета, приведенное сопротивление теплопередаче фрагмента наружной стены, утепленной с помощью экранной изоляции, выше нормативного значения. Предлагаемая авторами наружная стена удовлетворяет современным санитарно-гигиеническим, комфортным условиям и требованиям энергосбережения.

Ключевые слова: керамзитобетон, ограждающая конструкция, экранная теплоизоляция, воздушная прослойка, термическое сопротивление, теплопроводность, тепловой поток, температурные поля.

Список литературы

1. Вытчиков Ю.С., Горин В.М., Токарева С.А. Исследование теплофизических характеристик стеновых

Рис. 7. Температурное поле в фрагменте утепленной наружной стены

камней из беспесчаного керамзитобетона // Строительные материалы. 2011. № 8. С. 42—43.

2. Каммерер И.С. Теплоизоляция в промышленности и строительстве. М.: Стройиздат, 1965. 278 с.

3. Умняков П.Н. Применение отражательной теплоизоляции в ограждающих конструкциях. Дисс. канд. техн. наук. М., 1958.

4. Вытчиков Ю.С., Сапарев М.Е. Исследование теплозащитных характеристик сэндвич-панелей с применением экранной изоляции. Межвузовский сб. трудов «Повышение энергоэффективности зданий и сооружений». Самара: Самарский государственный архитектурно-строительный университет. Вып. 7. 2012. С. 10-16.

5. Фокин К.Ф. Строительная теплотехника ограждающих частей зданий. М.: Стройиздат, 1973. 287 с.

6. Вытчиков Ю.С., Сапарев М.Е. Экспериментальное исследование теплозащитных характеристик ограждающих конструкций с применением экранной изоляции. Сб. трудов «Проблемы энергосбережения в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах». Пенза: ПГУАС, 2013. С. 50-53.

ЗАО "НИИКерамзит"

Более 50 лет успешной научно-практической и внедренческой деятельности в области производства искусственных пористых заполнителей и бетона на их основе

■ Обследование технологических линий

и разработка предложений по их модернизации

■ Исследование физико-химических и технологических свойств глинистого сырья, оценка его пригодности для производства керамзита и кирпича, подбор эффективных технологических решений

■ Разработка научно-технической документации (технологических регламентов, технических условий и др.)

■ Оказание технической помощи при модернизации существующих и строительстве новых предприятий

■ Подбор составов керамзитобетона

на местных материалах с отработкой технологии

■ Определение основных физико-механических

и теплотехнических характеристик керамзитового гравия и керамзитобетона

■ Выполнение теплотехнических расчетов наружных ограждающих конструкций зданий

■ Разработка и внедрение технологий утилизации и переработки крупнотоннажных отходов: нефтедобычи и нефтепереработки, водоочистных сооружений, зол и шлаков ТЭЦ и др.

Оказываем помощь по поставкам керамзитового гравия и оборудования для его производства.

НОШиК"

***

СОЮЗ

ПРОИЗВОДИТЕЛЕЙ КЕРАМЗИТА и КЕРАМЗИТОБЕТОНА

ш некоммерческая организация ^■

Россия, 443086, Самара, Ерошевского, 3 «А» E-mail: [email protected] Тел./факс: (846) 263-42-49

ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ

Осуществление четкой, обоснованной научно-технической политики

Выработка кардинальных направлений по применению керамзита и керамзитобетона в России и за рубежом

Организация рекламно-информационной службы для продвижения керамзита и керамзито-

бетонных изделий на строительном рынке

Оказание содействия членам союза в заключении договоров на поставку продукции

Участие членов союза в разработке нормативных правовых актов, государственных программ, стандартов и иных документов на региональном, федеральном, межгосударственном уровнях

Союз производителей керамзита и керамзитобетона приглашает в свои ряды единомышленников!

Россия, 443086, Самара, Ерошевского 3"А" Телефон/факс (846) 263-00-79, 263-42-49 E-mail: [email protected] www.NIIKeramzit.ru

Ы ®

научно-технический и производственный журнал

ноябрь 2013

15