CC BY
10
Применение монолитного керамзитобетона в ограждающих конструкциях загородных коттеджей с прерывистым отоплением
Ю.С. Вытчиков, М.Е. Сапарев, В.А. Голиков, М.В. Дымшиц Самарский государственный технический университет, Самара
Аннотация: Представлена методика определения оптимального значения сопротивления теплопередаче трехслойной наружной стены здания загородного коттеджа. В качестве критерия оптимизации выбран удельный расход тепловой энергии за недельный цикл эксплуатации здания. В результате исследования функции, описывающей суммарные удельные энергозатраты на компенсацию теплопотерь и нагрев 1 м2 наружной стены, было получено аналитическое выражение для определения оптимального значения сопротивления теплопередаче. На основе полученного решения произведена оптимизация толщины монолитного керамзитобетона, используемого в качестве конструкционно-теплоизоляционного материала в наружной стене. Получена аналитическая зависимость для оценки энергосберегающего эффекта за счет дополнительного утепления наружной стены загородного коттеджа.
Ключевые слова: прерывистое отопление, сопротивление теплопередаче, ограждающая конструкция, энергозатраты, теплозащитные характеристики.
В настоящее время наблюдается увеличение объемов коттеджного строительства на территории Российской Федерации. При этом значительная часть приходится на загородные коттеджи, эксплуатируемые преимущественно в выходные дни и отпускной период. Строительство коттеджей ведется как в сельской местности, так и в пригородной зоне на территории садово-дачных товариществ. Для их отопления в настоящее время используется природный газ, электрическая энергия, дрова, каменный уголь и возобновляемые источники энергии, к которым относится тепло грунта, солнечная и ветровая энергия. В работах [1-3] подробно рассмотрены вопросы, связанные с использованием возобновляемых источников энергии для теплоснабжения малоэтажных зданий.
Рост цен на электрическую энергию и органическое топливо в последние годы делает задачу по определению экономически целесообразной толщины ограждающих конструкций зданий весьма актуальной. В работах
[4, 5] перечислены основные мероприятия по энергосбережению при эксплуатации жилого фонда. Для зданий с постоянным проживанием температура в отапливаемых помещениях поддерживается постоянной в процессе эксплуатации здания. Следовательно, в ограждающих конструкциях наблюдается стационарный тепловой режим. Согласно нормативным требованиям, приведенным в СП 50.13330 "Тепловая защита зданий", сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций должно удовлетворять санитарно-гигиеническим и комфортным условиям, а также условию энергосбережения. При этом использование конструктивных решений наружных стен, покрытий и перекрытий, обладающих теплозащитными характеристиками, превышающими нормативные значения, всегда сопровождается снижением теплопотерь и, как следствие, экономией тепловой или электрической энергии.
В зданиях с прерывистым отоплением значительное энергопотребление наблюдается в период натопа помещения, продолжительность которого существенно повышается с увеличением толщины ограждающей конструкции. Поэтому возникает необходимость в определении оптимальной её толщины.
В зданиях и сооружениях, эксплуатируемых периодически, в целях экономии энергии используется дежурный режим отопления при отсутствии людей. Тепловой режим ограждающих конструкций зданий с переменным тепловым режимом рассмотрен в работах [6-8]. Характерный температурный график в отапливаемых помещениях загородного коттеджа приведен на рис.1.
Недельный цикл эксплуатации загородного коттеджа включает следующие четыре стадии. Первая стадия I (0<т<т1) характеризует период эксплуатации здания при использовании дежурного отопления. Температура внутреннего воздуха на этой стадии принимается равной ¿в1=10^12°С для
предотвращения выпадения конденсата на внутренних поверхностях ограждающих конструкций.
tв2
ы V
I II III IV
О т\ т2 гЗ т4 г, ч
Рис. 1. - График изменения температуры внутреннего воздуха в помещениях загородного коттеджа
Следующая, вторая стадия II (т1<т<т2), представляет собой натоп помещения, в процессе которого подводимая тепловая энергия затрачивается на нагрев ограждающих конструкций и компенсацию тепловых потерь.
Результаты исследований, представленные в работах [9-11] показали, что в однослойных ограждающих конструкциях с прерывистым отоплением рекомендуется использовать легкие бетоны и деревянный брус, в многослойных - внутреннее утепление с применением высокоэффективных полимерных материалов, обладающих низкой паропроницаемостью.
Третья стадия III (т2<т<т3) осуществляется при наличии людей в коттедже. Минимальный уровень теплозащиты ограждающих конструкций зданий с периодическим пребыванием людей должен обеспечить выполнение лишь санитарно-гигиенических требований, включающих выполнение первого и второго условий комфортности.
Последняя, четвертая стадия IV (т3<т<т4), происходит после отключения отопительного котла, продолжительность которой, как показано
в работе [12], существенно зависит от теплоаккумулирующей способности помещений и кратности воздухообмена.
При проектировании энергоэффективных коттеджей стремятся применять ограждающие конструкции с повышенными теплозащитными характеристиками. В качестве примера рассмотрим определение оптимального значения сопротивления теплопередаче наружной стены с использованием монолитного керамзитобетона в качестве конструкционно-теплоизоляционного материала.
При выполнении расчета использовались следующие исходные данные:
1. Район строительства - Самарская область.
2. Температура внутреннего воздуха в коттедже при дежурном режиме отопления ¿в1=12°С, при расчетном режиме ¿в2=22°С.
3. Средняя температура наружного воздуха за отопительный период t = =-4 7°С
1н 1оп 4,7 С.
4. Продолжительность работы дежурного отопления ^=3 сут, на расчетном режиме тш=2 сут.
5. Конструкция наружной стены представлена на рис.2.
6. Коэффициент теплотехнической однородности наружной стены принят равным г=0,9 согласно СТО 00044807-001-2006 "Теплозащитные свойства ограждающих конструкций зданий" Российского общества инженеров строительства.
В качестве утеплителя рассмотрено применение беспесчаного керамзитобетона плотностью р2=300, 400, 500, 600 и 700 кг/м , а также керамзитобетона с использованием керамзитового песка плотностью р2=500, 600, 800, 1000 кг/м3.
Теплофизические характеристики керамзитобетона и других материалов были приняты из СП 50.13330 "Тепловая защита зданий".
и
Рис. 2. - Фрагмент наружной стены: 1 слой - цементно-песчаный раствор й=0,02 м; р1=1800 кг/м3; с1=0,92 кДж/(кг°С); ^=0,76 Вт/(м-°С); 2 слой -беспесчаный керамзитобетон, керамзитобетон на керамзитовом песке;
3 слой - кладка из керамического кирпича на цементно-песчаном растворе ¿3=0,12м; р3=1800 кг/м3; с3=0,92 кДж/(кг°С); Л3=0,7 Вт/(м^°С)
Осуществим поиск оптимальных значений сопротивления теплопередаче трехслойной наружной стены, представленной на рис. 2. Для этого исследуем зависимость удельных энергозатрат за недельный цикл эксплуатации здания загородного коттеджа на экстремум.
Суммарные энергозатраты за недельный цикл эксплуатации здания здания находим по формуле:
&_ Ох + QII + От, кДж/м2 (1)
где QI, QII, Qш - удельные энергозатраты при работе дежурного отопления при натопе помещений коттеджа и расчетном режиме эксплуатации здания соответственно.
Удельные энергозатраты на стационарных режимах эксплуатации
коттеджа находятся по формулам:
Ох
_ _ , кДж/м2,
1 тлпр 1
щ
(2)
и
Ош = ^ , кДж/м2, (3)
Т>пР
где Щ - приведенное сопротивление теплопередаче наружной стены, м -°С/Вт; тг ,т//7 - продолжительность первого и третьего периода эксплуатации здания соответственно, с.
Удельные энергозатраты при натопе помещения согласно [10] находятся по формуле:
О = Он т, кДж/м2, (4)
где Qн - удельные энергозатраты на нагрев наружной стены, кДж/м ; т = (1 + 2<)/(1 + <) - поправочный коэффициент, учитывающий теплопотери
1
наружной стены в процессе ее нагрева; < = —^-V - критерий
граничных условий; Щ - сопротивление теплопередаче глади наружной стены, м -°С/Вт; ав,ан- коэффициенты теплоотдачи со стороны внутренней и наружной поверхностей стены, соответственно, Вт/(м -°С).
Удельные энергозатраты определяются согласно [10] по формуле:
з ,
Он = 1сгРДДтг, кДж/м2, (5)
г=1
где с - удельная теплоемкость материала 1-го слоя, кДж^кг^О); р1 -плотность 1-го слоя материала, кг/м ; 8{ - толщина 1-го слоя материала, м; Дтг. - изменение температуры 1-го слоя в процессе натопа помещения, °С. Величина Дтг согласно [10] определяется по формуле:
_г Л
- Г * 1в2 1 в1
ДТ1 = 1 в2 _ 1в 1
2 _ + 1 щ + 1 Щ
, °С, (6)
\ав 1=1 1=1 у
2Яусп
где Щ = 8/Л - термическое сопротивление 1-го слоя, м2-°С/Вт.
После преобразований получим выражение для определения Qн вида:
и
_ С1р1А1(-в2 - -в1)
1 -
2 л - + Щ
ав_
2Яусл
+
С2р2Х2(-в2 - ^Г - а)х , кДж/м2, (7)
X
0,5
О пусл
2 щ У
+ С3РъАЪ(-в 2 - -в1)
а
2щусл
где а _ у ав +1/ан + Щ + Щ; Ь _ Щ - Щ +1/ав - у ан ; а _ 2/ан + Щ - Щ
Уравнение (1) после подстановки в него выражений (2), (3), (7) примет
вид:
- - -
У +
-., - -„
2Щусл 1 2Щусл 111
т,„ + т
СРА(-в2 - -еу)
( 2 > —+Щ
1 -а_
2 Яусл
+
+ С2Р2Х2(-в2 - -в1)(ЩГ - а)х
0,5 --
9 пусл 2Щ0
+ СзРзАз(-в2 - -в1)
а
2Щусл
, кДж/м2. (8)
Исследуем зависимость для определения ^ на экстремум. Для этого получим выражение первой производной аО^/аЩ01 и приравняем его к нулю.
После преобразований выражение для определения яусл примет вид:
Щсл )ОР- _
аЬ +
+
с1р1А1 СзРзАза__
С2Р2^2 0,5с2Р2^2
(-в1 - -н Ь +(-в1 - -н У
+, м- С/Вт,
(9)
"ш
гт0,5{-в2 - -в1 У2Р2Л2
Величина поправочного коэффициента т может быть определена по рис.3 в зависимости от величины Щсл.
Преобразуем выражение (9), используя формулу для коэффициента теплоусвоения при периоде 24 часа:
52 _ 0,27, Вт/(м2-°С), (10)
Ь
у
Ь
X
V
у
и
Рис. 3. - Зависимость поправочного коэффициента т от сопротивления теплопередаче наружной стены Щсл
После подстановки выражения для Б2 получим к
аЬ +
0,073с3 ръ5ъ ё - 0,146^ РА
^+м
Л Л +
У
+ 0,146-
(',1- к у +(',1- к Уш
гт0,5(гв2 - ',1)
м- С/Вт. (11)
Анализируя зависимость для определения оптимального значения (ксл )ор', можно сделать вывод о том, что его величина существенно зависит от коэффициента теплоусвоения монолитного керамзитобетона.
Используя формулу (11), был выполнен расчет определения оптимального значения сопротивления теплопередаче наружной стены, исходя из обеспечения минимальных энергозатрат при эксплуатации загородного коттеджа для различных значений плотности монолитного керамзитобетона.
Результаты расчета представлены в таблице № 1.
На рис. 4 представлена зависимость оптимального значения сопротивления теплопередаче глади наружной стены от коэффициента теплоусвоения монолитного керамзитобетона.
М Инженерный вестник Дона, №3 (2021) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n3y2021/6853
Таблица № 1 Результаты определения оптимальной толщины
монолитного керамзитобетона
Вид Плотность Коэффициент Оптимальное Оптимальная
керамзитобетона в сухом состоянии, Р, кг/м3 теплоусвоения, Я2, Вт/(м2-°С) значение сопротивления теплопередаче, (щсл )ор', м2-°С/Вт толщина монолитного ке- рамзитобе-тона, (А2 )ор' , м
Беспесчаный 300 1,51 8,67 0,873
Беспесчаный 400 1,82 7,19 0,785
Беспесчаный 500 2,16 6,06 0,741
Беспесчаный 600 2,46 5,34 0,697
Беспесчаный 700 2,70 4,87 0,654
На керамзи- 500 2,55 5,31 0,842
товом песке
На керамзи- 600 3,03 4,49 0,826
товом песке
На керамзи- 800 3,83 3,58 0,773
товом песке
На керамзи- 1000 5,03 2,78 0,749
товом песке
На рис. 4 представлена зависимость оптимального значения сопротивления теплопередаче глади наружной стены от коэффициента теплоусвоения монолитного керамзитобетона.
Из представленных на рис. 4 данных, видно, что выбор уровня теплозащиты наружной стены следует осуществлять, руководствуясь выполнением неравенства:
ксл ур < мсл <{ксл У, м2-°с/вт. (12)
На рис. 5 представлена зависимость суммарных удельных затрат тепловой энергии при эксплуатации загородного коттеджа для рассматриваемой наружной стены. Плотность беспесчаного керамзитобетона была принята равной 600 кг/м .
М Инженерный вестник Дона, №3 (2021) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n3y2021/6853
( иусл\Р' м2 °С ' ' Вт
8,0
7,0
6,0
5,0
4,0
3,0
2,0 :
1,0 -----1-
1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 Рис. 4. - Зависимость оптимального значения сопротивления теплопередаче
наружной стены от коэффициента теплоусвоения монолитного керамзитобетона: 1 - оптимальное значение Щ™ )р-; 2 - нормативное
значение Щ™ ур _ 1,66 м2-°С/Вт
10000 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000
1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 Рис. 5. - Зависимость суммарных удельных затрат тепловой энергии от
сопротивления теплопередаче
Для оценки экономии тепловой энергии при повышении теплозащитных характеристик наружной стены на рис. 6 представлена в графическом виде зависимость относительного снижения энергопотребления при различных значениях сопротивления теплопередаче.
и
Рис. 6. - Зависимость относительного энергопотребления наружной стены от
сопротивления теплопередаче Относительное снижение энергопотребления п определяется по формуле:
" (13)
п =
Я-
I
норм
где Ятрм - удельные энергозатраты при нормативном значении
сопротивления теплопередаче наружной стены, равном (яусл УР =1,66 м2-°С/Вт.
Окончательное решение по выбору уровня теплозащиты наружной стены необходимо принять после оценки ее несущей способности и технико-экономического обоснования.
Выводы
1. Разработана инженерная методика оптимального значения толщины конструкционно-теплоизоляционного материала, используемого при монолитном возведении загородных коттеджей.
2. Представлены результаты определения оптимальных значений сопротивления теплопередаче трехслойной наружной стены с использованием беспесчаного керамзитобетона и керамзитобетона на керамзитовом песке различной плотности.
3. Произведена оценка экономии тепловой энергии за счет дополнительного утепления наружной стены.
Литература
1. Бутузов В.А., Шетов В.Х. Возобновляемые источники энергии // Энергосбережение. 2008. №8. С. 81-83.
2. Береговой А.М., Береговой В.А., Гречишкин А.В., Викторова О.Л. Эффективность использования тепла земли подземным пространством здания // Жилищное строительство. 2011. №1. С. 30-31.
3. Бродач М.М. Здания с нулевым энергетическим балансом - миф или реальность? // АВОК: Вентиляция, отопление, кондиционирование воздуха, теплоснабжение и строительная теплофизика. 2010. №8. С. 4-9.
4. Зильберова И.Ю. Петрова Н.Н. Модернизация зданий с целью повышения энергоэффективности, комфорта и безопасности проживания, а также продления срока эксплуатации жилых зданий // Инженерный вестник Дона. 2012. №4-1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4p1y2012/1120
5. Иванчук Е.В. К вопросу повышения энергетической эффективности жилых домов // Инженерный вестник Дона. 2013. №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/2151
6. Vytchikov Yu.S., Belyakov I.G., Saparev M.E. Investigation of the thermal effect of building envelopes of individual building under intermittent heating // Procedia Engineering. 2016. Vol. 153. doi: 10.1016/j.proeng.2016.08.186
7. Vytchikov Yu., Saparev M., Chulkov А. Analyzing screen heat insulation and its effect on energy consumption while heating building envelopes in conditions of intermittent heating // MATEC Web of Conferences: IPICSE-2016. 2016. Vol. 86. doi: 10.1051/matecconf/20168604019
8. Дацюк Т.А. Ивлев Ю.П., Пухкал В.А. Моделирование теплового режима жилых помещений при прерывистом отоплении // Современные проблемы науки и образования. 2014. №5. С. 69-70.
9. Вытчиков Ю.С. Сапарёв М.Е., Чулков А.А. Оптимизация выбора теплозащиты ограждающих конструкций зданий, эксплуатируемых в условиях прерывистого отопления // Промышленное и гражданское строительство. 2017. №3. С. 90-93.
10. Семенов Б.А. Нестационарная теплопередача и эффективность теплозащиты ограждающих конструкций зданий. - Саратов: Сарат. гос. тех. ун-т, 1996. 176 с.
11. Малявина Е.Г., Цыганов А.В. Влияние различных факторов на темп остывания помещения после отключения теплоснабжения // Известия вузов. Строительство. 2015. №1. С. 53-59.
12. Кононович Ю.В. Тепловой режим зданий массовой застройки. - М.: Стройиздат, 1986. 160 с.
References
1. Butuzov V.A., Shetov V.H. Jenergosberezhenie. 2008. №8. Pp. 81-83.
2. Beregovoj A.M., Beregovoj V.A., Grechishkin A.V., Viktorova O.L. Zhilishhnoe stroitel'stvo. 2011. №1. Pp. 30-31.
3. Brodach M.M. AVOK: Ventiljacija, otoplenie, kondicionirovanie vozduha, teplosnabzhenie i stroitel'naja teplofizika. 2010. №8. Pp. 4-9.
4. Zil'berova I.Ju. Petrova N.N. Inzhenernyj vestnik Dona. 2012. №4-1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4p1y2012/1120
5. Ivanchuk E.V. Inzhenernyj vestnik Dona. 2013. №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/2151
6. Vytchikov Yu.S., Belyakov I.G., Saparev M.E. Procedia Engineering. 2016. Vol. 153. doi: 10.1016/j.proeng.2016.08.186
7. Vytchikov Yu., Saparev M., Chulkov A. MATEC Web of Conferences: IPICSE-2016. 2016. Vol. 86. doi: 10.1051/matecconf/20168604019
8. Dacjuk T.A. Ivlev Ju.P., Puhkal V.A. Sovremennye problemy nauki i obrazovanija, 2014. №5. Pp. 69-70.
9. Vytchikov Ju.S. Saparjov M.E., Chulkov A.A. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo. 2017. №3. Pp. 90-93.
10. Semenov B.A. Nestacionarnaja teploperedacha i jeffektivnost' teplozashhity ograzhdajushhih konstrukcij zdanij [Unsteady heat transfer and efficiency of thermal protection of building envelopes]. Saratov: Sarat. gos. teh. un-t, 1996. 176 p.
11. Maljavina E.G., Cyganov A.V. Izvestija vuzov. Stroitel'stvo. 2015. №1. Pp. 53-59.
12. Kononovich Ju.V. Teplovoj rezhim zdanij massovoj zastrojki [Thermal regime of buildings of mass development]. M.: Strojizdat, 1986. 160 p.
