CC BY
47Научно-технический и производственный журнал
-------ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
Крупнопанельное домостроение
УДК 536
С.В. ФЕДОСОВ, д-р техн. наук, академик РААСН, А.М. ИБРАГИМОВ, д-р техн. наук, Л.Ю. ГНЕДИНА, канд. техн. наук, Ивановский государственный архитектурно-строительный университет
Проблемы трехслойных ограждающих конструкций
Рассмотрены вопросы проектирования, изготовления и эксплуатации трехслойных ограждающих конструкций. Приведены расчеты для стационарного и нестационарного процесса теплопереноса в трехслойных ограждающих конструкциях. Показано, что наиболее целесообразным в крупнопанельном домостроении является конструктивное решение ограждающих конструкций в виде однослойной панели с наружным утеплением.
Ключевые слова: ограждающие конструкции, теплоперенос, массоперенос, мостики холода, утеплитель.
До энергетического кризиса во всех странах при теплотехническом проектировании ограждающих конструкций в основу был положен принцип санитарно-гигиенической пригодности к эксплуатации, суть которого заключается в том, что во избежание выпадения конденсата температура на внутренней поверхности ограждающей конструкции не должна опускаться ниже температуры точки росы. Изменения № 3 и 4 к СНиП 11-3-79* «Строительная теплотехника» предъявляют повышенные требования к теплозащите зданий. Впервые требования норм стали распространяться не только на новое строительство, но и на реконструируемые здания. Нормы с изменениями базируются на двух принципах - энергосбережения и санитарно-гигиенической пригодности к эксплуатации. Смысл проектирования ограждающих конструкций заключается в назначении необходимого сопротивления теплопередаче конструкции (Я). Конструктивное расположение слоев должно обеспечивать нормальный режим эксплуатации, при котором влажность материалов конструкции не должна превышать определенного уровня и отвод конденсированной влаги, образующейся в результате диффузии водяного пара через толщу конструкции из помещения наружу. Однако нормами практически не учитывается процесс диффузии капиллярной влаги в толщу конструкции вследствие атмосферных воздействий, грунтовых вод, субъективных и объективных факторов, возникающих при эксплуатации зданий (аварии тепло- и водоснабжа-ющих сетей, отсутствие надлежащего водоотвода с кровли, неисправности вентиляции, старение и деструктивное разложение вертикальной и горизонтальной гидроизоляции стен).
Практически все современные конструктивные решения ограждающих конструкций основаны на нормативных документах СНиП 11-3-79* и СНиП 23-01-99 «Строительная климатология»; СП 23-101-2004 «Проектирование тепловой защиты зданий»; проекта актуализированной редакции СНиП 11-3-79* «Строительная теплотехника». В основу этих документов положены некоторые усредненные значения температуры и различного рода коэффициентов; расчет ведут по методикам стационарного режима теплопроводности ограждающих конструкций; влажностные условия эксплуатации конструкции учитывают в зависимости от влажностного режима помещения и зон влажности; влажность материалов, составляющих конструкцию, вообще никак не учитывают. Однако в природе процессы теплопере-
носа очень редко происходят при стационарных параметрах, кроме того, они осложнены массопереносом, а изменение влажностного состояния материала существенно влияет на его теплофизические свойства. Таким образом, проектирование ограждающих конструкций по существующим нормам не является безусловной гарантией их эксплуатационной надежности. Повышенное содержание влаги в стенах можно с полной уверенностью отнести к дефектному состоянию, так как влага снижает физико-механические и теплофизические характеристики материалов стен.
Учитывая вышесказанное, сообразно принятому направлению в ЦНИИЭП жилища («Программа повышения тепловой защиты зданий в соответствии с изменениями № 3 СНиП 11-3-79 «Технические решения. Наружные стены». Альбом 2. М.: АО ЦНИИЭП жилища, 1996. 94 с.) и НИИСФ [1] разработаны новые решения ограждающих конструкций, содержащих в своем составе эффективный утепляющий слой. Конструктивные решения предполагают различное расположение утепляющего слоя в ограждающей конструкции [8, 9]. Оптимально утеплитель следует располагать, как можно ближе к внешней поверхности ограждения. Тогда несущая внутренняя часть конструкции работает в комфортных температурных условиях и, как следствие, увеличивается срок ее службы и надежность, а воздействию отрицательной температуры подвергается утепляющий слой. При наружном расположении утеплителя возникает задача его защиты от воздействий факторов природной среды (атмосферной влаги, низкой и высокой температуры, солнечной радиации, ветра и т. п.). В [2] приведен достаточно полный обзор зарубежного опыта по созданию многослойных ограждающих конструкций с наружным расположением утеплителя, аналогичная отечественная конструкция получила название «шуба-плюс». Наряду с указанными конструктивными решениями в современном строительстве применяют ограждения с расположением утепляющего слоя в теле конструкции. Это, как правило, колодцевые кладки, кладки на гибких связях, трехслойные железобетонные панели и металлические панели типа «сэндвич».
С точки зрения эксплуатации ограждающих конструкций особый интерес представляет внутренний тепло- и влагоперенос. В капиллярно-пористых телах перенос тепла и влаги происходит по различным механизмам переноса. Теоретически раздельно учесть все виды переноса
7'2012
9
Крупнопанельное домостроение
Ц M .1
Научно-технический и производственный журнал
в реальной конструкции не представляется возможным. Современная теория внутреннего тепло- и массопереноса вводит единый потенциал переноса влаги, который объединяет все возможные потенциалы элементарных переносов влаги. Поток влаги у внутри капиллярно-пористого тела записывается по аналогии с законом теплопроводности Фурье:
д®
У = -^ас!©^ = -К-Щ- =-КУ®, (1)
где Хт - коэффициент влагопроводности материала; © - обобщенный потенциал переноса влаги;
и = ст®,
(2)
где и - влагосодержание материала; ст - массоемкость материала.
Потенциал © зависит от температуры и влагосодержа-ния материала и является функцией локальных значений градиентов влагосодержания и температуры:
./-^(Vh + SV©),
(3)
где ат = Xm/(psCm) - коэффициент потенциалопроводности капиллярно-пористого материала; 5 = ст(Ъ®/ЪТ)и - термоградиентный коэффициент переноса влаги; ps - плотность сухого материала; Т - температура материала.
Испарение влаги внутри материала обусловлено наличием источника паровой фазы и стока тепла, расходуемого на процесс парообразования. Коэффициент фазового превращения E=du$/du, где du§ - количество влаги, участвующей в фазовом превращении; du - общее изменение массы влаги во влажном материале.
При Е=0 фазовые превращения отсутствуют и внутреннее перемещение влаги осуществляется за счет капиллярного движения влаги.
При Е=1 изменение влагосодержания внутри материала происходит только за счет фазовых превращений, а перемещение жидкой фазы отсутствует.
Нестационарные поля температуры и влагосодержания описываются системой дифференциальных уравнений, полученной А.В. Лыковым и Ю.А. Михайловым [4]. При постоянных коэффициентах переноса уравнения имеют вид:
ff- = öm(V2M + 8V2n = a^T + E^
дт
с дт'
(4)
где ге - теплота испарения; с - теплоемкость материала; а - коэффициент температуропроводности материала. Последнее слагаемое второго уравнения системы (4) в физическом смысле представляет сток тепла при испарении влаги.
Решение системы дифференциальных уравнений в частных производных для взаимосвязанных процессов тепло- и массопереноса внутри влажного тела в общем виде практически невозможно. Способы решения для некоторых задач внутреннего тепловлагопереноса приведены в [4]. С.В. Федосовым на базе разработок А.В. Лыкова, Ю.А. Михайлова, П.Г. Романкова, В.Ф. Фролова, С.П. Рудобашты [4-6] предложен комбинированный метод расчета нестационарных температурно-влажностных полей в многослойных ограждающих конструкциях - так называемый метод микропроцессов [7-10]. Суть метода состоит в том, что весь процесс тепло- и массопереноса делится на ряд малых временных интервалов. В пределах каждого интервала предполагается, что на внутренних границах слоев многослойной конструкции есть равенство тепловых и массовых потоков через соприкасающиеся поверхности, равенство тем-
пературы и равенство потенциалов массопереноса, т. е. идеальный тепловой и массовый контакты. Общая задача разбивается на отдельные (их количество соответствует количеству слоев), но взаимосвязанные между собой задачи. Каждая из задач решается аналитически. Решение общей задачи получаем, сопрягая эти аналитические решения на каждом временном интервале. Таким образом, метод базируется на сочетании элементов аналитического и численного решения краевых задач тепломассопереноса. При реализации метода был получен набор решений краевых задач как для теплопереноса, неосложненного мас-сопереносом, так и для взаимосвязанного тепломассопе-реноса. Метод реализован на ЭВМ и позволяет моделировать реальные ситуации, возникающие в процессе изготовления и эксплуатации ограждающей конструкции. С помощью разработанного метода удалось получить новые результаты, имеющие практическое значение, например удалось проанализировать существующие конструктивные решения многослойных ограждающих конструкций. Одним из выводов является необходимость устройства вентилируемой воздушной прослойки между утеплителем, расположенным внутри ограждающей конструкции и наружным слоем ограждения. При расположении теплоизоляции внутри помещения также необходимо устройство воздушной вентилируемой прослойки. Установлено, что при косом дожде в тело ограждающей конструкции фильтруется до 4-10 л влаги на 1 м2 наружной поверхности ограждения (CSTK. 1986. vol. 21, N1, p. 25-34 Magyar Epitoipar. 1986. N4, yld. 234-236 // Экспресс-информация ВНИИИС, 1986, сер. 10, заруб. опыт. Вып. 11. С. 15-19). Примечание 3 п. 6 СНиП II-3-79* декларирует устройство пароизоляции; таким образом, и расчеты по методике авторов это подтверждают, что неизбежно выпадение конденсата в узких местах конструкции. Именно поэтому необходимо устройство вентилируемой воздушной прослойки, которая обеспечит отвод влаги от несущей части ограждающей конструкции.
Согласно технологии и исходя из теории движения жидкости и газа воздушный зазор должен быть не менее 40 мм. Это позволяет разместить капельники, оцинкованные фартуки из листовой стали для отвода влаги. При устройстве воздушной прослойки возникает проблема грибковых наростов и образований, однако она решается профилактической химобработкой.
При исследовании многослойных ограждающих конструкций смоделировано несколько ситуаций работы трехслойной железобетонной панели в качестве ограждающей конструкции в условиях III климатического района; согласно СНиП 23-01-99 и СП 23-101-2004: температура внутреннего воздуха ?в=20°С; температура наружного воздуха, самой холодной пятидневки ^=-30оС; температура отопительного периода tm пер=-3оС; продолжительность отопительного периода zот пер= 214 сут; относительная влажность в помещении Ф=80%; начальная температура слоев ^=+8о.
Конструкции панелей, выпускаемых Ивановской домостроительной компанией, представлены на рис. 1.
Для варианта 1 слои 1 и 3 имеют следующие характеристики (тяжелый бетон): коэффициент теплопроводности А=2,04 Вт/(м К); удельная изохорная теплоемкость С=840 Дж/(кгК); плотность 7=2500 кг/м3.
Для варианта 2 слои 1 и 3 (керамзитобетон): коэффициент теплопроводности А,=0,41 Вт/(мК); удельная изохорная теплоемкость С=840 Дж/(кгК); плотность 7=1000 кг/м3.
ЖИЛИЩНОЕ
Научно-технический и производственный журнал
Л
Крупнопанельное домостроение
Вариант 1 1 2 3
Вариант 2 123
120 200 80 70 120 160
Г /
400
350
Цх, /о)=Г81
л=1 лг1 + со82|хя
В/,+1
(5)
ТУ с \—
где -то;--^ ; х=я/01 - безразмерная координата; Ра=ах/Щ - критерий Фурье; Ш^аф^Х - критерий Био;
- корни характеристического уравнения Ц«;
£ - безразмерная текущая координата;
I оС
+18,7
Вариант 1
Лг
г, ос
Вариант 2
Рис. 2. Изменение температуры в конструкции
Рис. 1. Трехслойная железобетонная панель ограждения
Слой 2 для обоих вариантов изготовлен из пенополи-стирольных плит (ГОСТ 15588-86 «Плиты пенополисти-рольные. Технические условия»): коэффициент теплопроводности Я=0,05 Вт/(мК); удельная изохорная теплоемкость С=1340 Дж/(кг К); плотность У= 40 кг/м3.
При теплотехническом расчете варианта 1 и 2 по методике СНиП 11-3-79* установлено, что температура точки росы (?р) составляет 16,45оС, графики распределения температуры в толще конструкции при стационарном режиме представлены на рис. 2.
Простой анализ показывает, что для варианта 1 точка росы располагается в утеплителе (слой 2), а для варианта 2 - в несущем слое конструкции (слой 1). Кроме того, требуемая толщина утеплителя для варианта 1 составляет 0,14 м, а фактическая 0,2 м и, таким образом, превышает требуемую на 6 см, а для варианта 2 принятые характеристики слоев 1 и 3 панели являются предельными, так как увеличение коэффициента теплопроводности для этих слоев (принятие керамзитобетона большей плотности) неизбежно приводит к увеличению проектной толщины слоя 2 для варианта 2.
Все эти выводы справедливы для стационарного процесса теплопереноса.
Как уже указывалось выше, нестационарный процесс присутствует практически всегда, поэтому авторами в [7-8] получены решения для нестационарных процессов тепло-переноса и взаимосвязанного тепломассопереноса.
При теплопереносе решения для слоев 1-3 имеют вид: - для слоя 1:
- для слоя 2: Цх, Ро)=т2
+
+Е2со8(ц„х)ехр -¡То©; (6) - для слоя 3:
(7)
Индексы 1, 2 и 3 в формулах (5, 6, 7) означают номер слоя. При взаимосвязанном тепломассопереносе решения для слоев 1, 2, 3 получены в [10] и имеют вид (из-за громоздкости записи дана ссылка на выражения):
Слой 1: для функции температуры - (5.141), для потенциала массопереноса - (5.142); второй слой: для функции температур - (5.206); для потенциала массопереноса - (5.207); третий слой: для функции температуры - (5.269); для потенциала массопереноса - (5.270).
При нестационарном процессе для варианта 1 после включения отопления в течение 11 ч 46 мин на левой (внутренней) поверхности слоя 1 возможно выпадение конденсата; в последующие 6 ч температура, соответствующая точке росы, продвигается от этой поверхности к поверхности раздела слоев 1 и 2, а затем при переходе к стационарному распределению температуры располагается в 2 см от левой границы слоя 2.
При нестационарном процессе для варианта 2 после включения отопления температура на левой поверхности слоя 1 достигает значения температура, соответствующая точке росы, начнет продвигаться в тело слоя 1 и через 5 ч 49 мин достигнет стыка слоев 1 и 2, после чего температура, соответствующая точке росы, начнет продвигаться в тело второго слоя и достигнет максимального проникновения в слой после 8 ч 5 мин, затем она будет возвращаться к стыку первого и второго слоев и достигнет его через 11 ч 50 мин с последующим возвращением в первый слой. При стационарном процессе температура, соответствующая точке росы, располагается в 4 см от левой границы первого слоя. Следовательно узким местом трехслойной панели ограждения является стык первого и второго слоя, именно в этом месте необходимо устраивать воздушную прослойку. Устройство воздушной, желательно венти-
о
с, "С
с
72012
11
Крупнопанельное домостроение
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
лируемой, прослойки сопряжено с большими технологическими трудностями. Вынос утеплителя на наружную поверхность ограждения решает многие вопросы и имеет свои положительные аспекты:
- снижается влияние мостиков холода, несущая часть конструкции работает в комфортных тепловлажностных условиях, повышается срок ее службы, т. е. увеличивается долговечность;
- долговечность утеплителя практически всегда ниже долговечности конструкционной (несущей) части ограждения. При внешнем расположении утеплителя возможна его замена (при исчерпании его эксплуатационных качеств) без вмешательства в интерьер помещения и в несущую часть ограждения;
- существует возможность эксплуатационного контроля характеристик утеплителя без нарушения целостности конструкции;
- при изготовлении панель формуется лицом вверх, таким образом, внутренняя поверхность, обращенная в будущее помещение, имеет гладкую поверхность и требует минимум отделки. На открытую поверхность возможен вывод анкеров и крепление утепляющего слоя для технологии «шуба плюс» или навесных фасадных систем, т. е. повышается индустриальная готовность панели, упрощается ее конструктивное исполнение, снижается себестоимость;
- стыки панелей в проектном положении герметизируются силиконовыми уплотнителями (типа БРОМ, ТРБ-Б, WIKI и т. д.), нормативный срок службы которых не превышает 20 лет. Но этот срок службы значительно увеличивается, так как материал работает в комфортных тепловлаж-ностных условиях;
- при сезонных колебаниях температуры наружного воздуха панели из-за разности температуры на поверхности летом выгибаются наружу, а зимой внутрь, именно поэтому разрушаются стыки между панелями. При наружном расположении утеплителя колебания температуры в слоях панели не столь значительны, что благоприятно сказывается на эксплуатации «больного» места панелей - стыков.
Строительный рынок предлагает различного рода (назовем их условно «газонаполненные пластмассы») утеплители под названием: «Пенополистирол», «Пеноизол», «Пе-нозолин», «Юнипор», «Меттемпласт», «Омифлекс», «Мипо-ра», «Пентил», «Поропласт СГО2» и т. д. Каждый из перечисленных материалов имеет свои характеристики, преимущества и недостатки. Применяемость того или иного материала во многом зависит от агрессивности рекламы, а не от объективных факторов.
После детального изучения в лабораториях Ивановского государственного строительного университета характеристик и свойств карбамидного пенопласта «Меттемпласт» можно сделать следующие выводы:
- материал является эффективным утеплителем и превосходит по своим характеристикам пенополистирол;
- материал экологически безопасен (экспертное заключение на карбамидный пенопласт «Меттемпласт» ФБУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии Ивановской области» № Т-8-292 от 21.10.2001 г.);
- материал согласно НПБ 244-97 имеет группу горючести Г1, группу воспламеняемости В1, коэффициент дымоо-бразования Д1 (сертификат пожарной безопасности ССПБ. РУ/0П034.Н.00270 от 18.02.2009 г.);
- материал обладает достаточными прочностными характеристиками, паропроницаемостью, низким коэффициентом теплопроводности (заключение НИИСФ по результатам испытаний образцов теплоизоляционного матерала ЗАО «НТЦ МЕТТЭМ» от 21 июля 1998 г. и от 27 мая 1999 г.);
- материал обладает достаточной долговечностью (заключение о прогнозируемой долговечности теплоизоляционного материала «Пеноизол» ОАО «ЦНИЛ» от 21 февраля 2002 г.).
Резюмируя изложенное, можно сделать вывод: представляется целесообразным в крупнопанельном домостроении по возможности отказаться от трехслойных панелей с внутренним расположением утепляющего слоя и вернуться на новом качественном уровне к апробированным и хорошо зарекомендовавшим себя конструктивным решениям крупнопанельных зданий из однослойных панелей, добавив к ним наружное утепление, - это значительно снизит единовременные затраты и эксплуатационные расходы. У таких ограждающих конструкций с точки зрения теплопотерь останется только одно узкое место - примыкания оконных и дверных блоков к телу панели, именно в этом направлении необходимо направить научные и конструктивные разработки.
Список литературы
1. Расчет и проектирование ограждающих конструкций здания. М.: Стройиздат, 1990. 233 с.
2. Бутовский И.Н., Худошина О.В. Совершенствование конструктивных решений теплозащиты наружных стен зданий. М.: ВНИИНТПИ, 1990. 67 с.
3. Гнедина Л.Ю. Оптимальное местоположение утеплителя в многослойных ограждающих конструкциях. Учен. зап. инж.-технол. фак-та Ивановской гос. архит.-строит. академии. Иваново, 2000.
4. Лыков А.В., Михайлов Ю.А. Теория тепло- и массопере-носа. М.-Л.: Госэнергоиздат. 1963. 536 с.
5. Романков П.Г., Фролов В.Ф., Флисюк О.М. Методы расчета процессов и аппаратов химической технологии (примеры и задачи). СПб.: Химиздат, 2009. 544 с.
6. Рудобашта С.П., Карташов Э.М. Диффузия в химико-технологических процессах. М.: Химия, 1993. 208 с.
7. Федосов С.В., Гнедина Л.Ю. Нестационарный теплопе-ренос в многослойной ограждающей конструкции. Проблемы строительной теплофизики систем обеспечения микроклимата и энергосбережения в зданиях: Сб. докл. IV научно-практ. конф. 27-29 апреля 1999 г. М.: НИИСФ, 1999. С. 343-348.
8. Федосов С.В., Ибрагимов А.М., Гнедина Л.Ю. Взаимосвязанный тепломассоперенос в многослойных ограждающих конструкциях при несимметричных граничных и начальных условиях. Проблемы строительной теплофизики систем обеспечения микроклимата и энергосбережения в зданиях: Сб. докл. научно-практ. конф. 26-28 апреля 2000 г. М.: НИИСФ, 2000.
9. Федосов С.В. Ибрагимов А.М., Гнедина Л.Ю. Методология расчета нестационарных полей тепло- и массопере-носа в многослойной ограждающей конструкции. Современные проблемы строительного материаловедения: VI академические чтения РААСН. Иваново, 2000.
10. Федосов С.В. Тепломассоперенос в технологических процессах строительной индустрии. Иваново, 2010. 364 с.
