Проектирование комфортных условий в помещениях с использованием современных утеплителей Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Комфортное состояние человека во многом зависит от микроклимата помещения, под которым понимается совокупность теплового, воз-

душного и влажностного режимов и их взаимосвязь. Основные требования к микроклимату - это поддержание благоприятных условий для лю-

УДК 728.05:699.86

ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОМФОРТНЫХ УСЛОВИЙ В ПОМЕЩЕНИЯХ С У ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СОВРЕМЕННЫХ УТЕПЛИТЕЛЕЙ

П.В. Корниенко, А.Е. Рахмуханов

Павлодарский государственный университет им. С. Торайгырова

Римараттыц макроклиматы жылу, вентиляция, ауа ылгалдылыгын шарпща cmiKecmendipy арк,ылы ауа температурасыныц. ылгалдылыцтыц. ауа к,озеалысыныц жылдамдыгыныц корсетк'питер'шц cauKecmieine байланысты болады К,урылымдардыц жылы к,арсыластыгыныц есептеу нотижелерi таблицада корсепилген жогары нотижелi жылылык;ты отк1збейпин материалдарды пайдалану К,ажетт1л1г1н Kopcemedi. Жылылык;п1ы етк1збейпин материалдардывнсНру принцит бейнеленген (шихта цурамыныц eceoiu к,осцанда).

Микроклимат помещения зависит от сочетания показателей температуры, влажности. скорости движения воздуха, которые поддерживаются отоплением, вентиляцией, кондиционированием. Результаты расчётов теплосопротивлгний конструкций указывают ни необходимость использования высокоэффективных теплоизоляционных материалов, которые приведены в таблицах. Описан принцип получения утеплителей (включая расчёт состава шихты).

Room s mikroklimat depends on combination of temperature, moisture and air movement speed indeces which are supported by heating, ventilation and condensation. The results of protected constructionsheat resistance calculation indicate to necessary using of highly effective heat isolating materials which are presented in tables. The receiving principle of heater is discribed (including the calculation of blend structure).

дей находящихся в помещении.

В организме человека в процессе обмена веществ освобождается энергия в виде тепла. Эта теплота путём конвекции, излучения, теплопроводности и испарения передаётся в окружающую среду. Интенсивность этих явлений зависит от параметров помещения: температуры внутреннего воздуха (/в) и радиационной температуры ), скорости движения (подвижности) и относительной влажности воздуха {(ра). Сочетание этих параметров, при которых в организме человека не возникает напряжённого состояния в его системе терморегуляции, называется комфортным или оптимальным. Существует два условия комфортности. Первое условие комфортности температурной обстановки определяет такое сочетание и при которых, человек находясь в центре рабочей зоны не испытывает ни перегрева, ни переохлаждения. Второе условие комфортности это допустимые температуры нагретых и охлаждённых поверхностей при нахождении человека в непосредственной близости от них. [1]

Немаловажное значение для решения вопросов комфортности приобретает умение проектировать ограждающие конструкции наружных стен, покрытии, перекрытий, перегородок др. конструкций новых и реконструируемых зданий и сооружений различного назначения.

Для сокращения тепловых по-

терь в зимний период и поступления тепла в летний период при проектировании сооружений следует, наряду с объёмно-планировочным решением (наименьшая площадь ограждающих конструкций), предусматривать солн-цезащиту световых проёмов (с учётом нормативных величин теплопропуска-ния), площадь световых проёмов (в соответствии с нормированными значениями естественной освещённости), рационально применять эффективные теплоизоляционные материалы и уплотнение притворов и фальцев (в заполняемых проёмах) и швов в наружных стенах и покрытиях. [21

В данной работе большее внимание уделено теплосопротивлению конструкций и материалу, который способствует увеличению этого показателя.

Если предположить, что ограждающая конструкция плоская, а установившийся поток тепла проходит перпендикулярно к её поверхности , то его количество (О) может быть определено согласно закона Фурье [3]

о

где тв, ты - температуры соответственно тёплой и холодной поверхности ограждения, ; Я-коэффициент теплопроводности материала; 8, Т7 - соответственно толщина и площадь ограждения; 2 - время передачи тепла, ч (с).

Теплофизический расчёт ог-

раждающих конструкций помещения сводится к определению тепло-защитнь!х показателей; поэтому если в формуле (1) отношение заменить обратной величиной мы получим термическое сопротивление (/?) однородного ограждения или одного слоя многослойной конструкции.

Термическое сопротивление слоистой конструкции будет равно

п 5\ , ¿2 , , ¿и

/< =-Н--+ ...4--, (2)

Я, Я2 Я„

где 6\...8}{ — толщина отдельных слоев, м; Л\...ЛН — коэффициенты теплопроводности материалов слоев. На рис.1 приведено общеприня-

тое распределение температур ограждающей конструкции.

При передаче тепла через ограждающую конструкцию происходит падение температуры от 1Н до 1и и перепад - 1Н состоит из трёх частных перепадов К ~ г«>г« ~ тн » т„ ~ 1„ ~ каждый из них вызван конкретным сопротивлением переносу тепла соответственно:

сопротивлением тепловоспри-ятию(/?д), термическим сопротивлением конструкции (Л), сопротивлением теплоотдаче (К ).

Общее сопротивление ограждающей конструкции теплопередаче {Я о) может быть выражено:

До = + °С-мг.

л

V/

Вт

(3)

Учитывая повышенные требования к ограждающим конструкциям по теплосопротивлению, вопрос этот целесообразно решать с использованием высокоэффективных теплоизоляционных материалов, которые предлагаются в настоящее время.

Теплоизоляционные материалы и изделия обладают высокой пористостью и низкой теплопроводностью. Они предназначены для тепловой защиты зданий, сооружений, а также изоляции различных тепловых установок во избежание потерь тепла. Предусматриваемое увеличение теплового сопротивления ог-

раждающих конструкций в среднем в 1,5 раза возможно при использовании эффективных теплоизоляционных материалов.

Состоявшийся 24-25 мая, 2001 года в Астане 1-ый Казахстанский Международный Форум по Новым Технологиям показал, что многие фирмы придают огромное значение производству таких теплоизоляционных материалов.

Компания «¡БОУБЯ» предлагает для Казахстана продукцию с финских заводов, которые производят стекловолокно с 1941 г. Накопленный опыт этих предприятий, позволяет производить стекловату с Я

в интервале 0,33...0,41 Вт /(м - К) (слой ваты 5 см заменяет кладку в 2 кирпича), при правильном монтаже не проседает, не сыпет-

ся, все тепловые и акустические характеристики сохраняются на весь период службы, полная химическая инертность [5].

Распределение температур в однородной ограждающей конструкции при постоянном тепловом потоке

а. м

Рисунок 1

Компания «РЕИЗ», основанная в 1991 году г.Алматы, предлагает новейшую, внедряемую разработку - теплоизоляционный материал - «Эковата»- который на западе применяется более 80-ти лет. «Эковату» отличает от известных теплоизоляционных материалов, быстрота и лёгкость использования, отсутствие стыков, швов и усадки при монтаже, самая высокая пожа-ростойкость среди теплоизоляционных материалов, невысокая цена, коэффициент теплопроводности «Эковаты»- 0,041 Вт/{м К). При утеплении «Эковатой» расход тепла снижается в 3...4 раза, (3,7 см тол-

щины этого материала заменяет толщину стены в 2 кирпича). Объёмная плотность (сухой) - 30кг/мг, усадка 20% от планируемой толщины, нанесение может быть сухим и влажным. [6]

Сравнительные данные использования «Эковаты» приведены в табл.1, в которой расчёты приведены к постоянному термическому сопротивлению R = 0,9м2 •°с/Вт • Следует отметить «Эковата» является органическим вариантом теплоизоляции состоящим из: целлюлозного волокна - 81% (чистая макулатурная бумага) и 19% - нелетучих, безопасных для здоровья ан-

1 70

НАУКА И ТЕХНИКА КАЗАХСТАНА

типиренов и антисептиков (бура и борная кислота).

В настоящее время широко известна акционерная компания строительной индустрии «АКСИ» благодаря своему мощному производственному комплексу по выпуску высокоэффективного утеплителя из минеральной ваты.

Номенклатура теплоизоляционных материалов «АКСИ» выпускаемых в России представлена гремя группами изделий: плиты минерало-ватпые повышенной жёсткости; плиты полужёсткие и маты прошивные из минеральной ваты. Вся продукция соответствует требованиям российских стандартов и сертифицирована. Минеральная вата получается при плавлении доменного шлака при температуре 450 °С и из расплава преобразуется в волокна диаметром 4-6 микрон, которые осаждаются в виде непрерывного минераловат-ного ковра.

Теплоизоляцию повышенной

жёсткости производя т мокрым формованием гидромассы, состоящей из минваты, связующего компонента и водоотталкивающих добавок.

Полужёсткую изоляцию производят путём впрыскивания расчётного количества связующего в зону осаждения.

Отличительные особенности этих утеплителей: высокие теплоизоляционные свойства, огпсустой-чивость, водоотталкивающие свойства. прочность и упруг ость, звукопоглощение, долговечность, не гниет, не требует защиты оч грызунов.

Согласно изменению № 3 СНиП 11-3-79*. ограждающие конструкции должны иметь приведенное сопротивление теплопередачи Я = 3,2 М2 С ¡Вт . Разумно решить эту задачу можно только применяя многослойные конструкции, где в качестве одною из слоёв применён эффективный утеплитель.

Эффективность утеплителя можно проследить по табл.2

Вид материала Утеплитель «АКСИ» Сосна Шлак Кирпич щелевой

1. Коэффициент теплопроводности Я.Вт/(м-°С) 0,044 0,14 0.18 0.52

2.Толщина изоляционного слоя в М, при к9=з$м1.0с/Вт 0,14 0,49 0,63 1.82

Таблица 2

Сравнительные данные материалов

Характеристика номенклатуры изделий компании «Акси» по основным показателям приведена в табл.3 [7].

Таблица 3

Основные показатели свойств изделий

Показатели Плиты минватные на карбидном Маты прошивные

свойств связующем теплоизоляционные

Повышенной Полужёсткие из минваты (ГОСТ

жёсткости (ТУ 67- (ГОСТ9573-96) 21880-94)

16-207-93)

1 2 3 4

1 .Плотность, кг/ м1 173...250 75...200 До 110

2.Теплопроводно-

сть при +25 "С; +5"С; не 0,044 0.038 0,038

более

3.Сжимаемость, % 10 о5

не более

4.Упругость,% не 95

менее

5.Содержание

органических вешеств, % не 7...9 2,5...4.0 1

более

6.Влажность,% не более 1,0 1,0 1,0

7.Прочность на

сжатие при 10%- 0,1

ной деформации не менее, МПа

8.Водопоглоще- 10...20 - -

ние,% по массе

9.Размер, мм 1000x500x50 1000x500x60... ...200 2000x1000x60...80

Ю.Температура До 400

применения в

зависимости от

обкладки, °С 700 700 700 450 60

-без обкладки

-на стеклоткани

(металл осетка, стеклосетка) -на бумаге

11 .Противопожар- Трудносгора- несгораемые несгораемые

ные свойства: емые

-горючесть

Учитывая возможность поставки других типоразмеров фирма рекомендует широкую область применения изделий указанных в табл. 3. Это тепловая изоляция кровли зданий с непосредственным нанесением покрывного материала на утеплитель без дополнительной цементной стяжки, изоляция ограждающих конструкций в промышленном строительстве, наружная тепловая изоляция зданий с оштукатуриванием или устройством защитно-покровного слоя; тепловая изоляция в деревянном строительстве во всех ограждающих конструкциях зданий, в качестве среднего слоя в кирпичных стенах, звуковая и тепловая изоляция межэтажных перекрытий и внутренних перегородок, огнестойкая защита воздуховодов и конструкций, теплоизоляция холодильных камер и др. Все эти материалы экологически безопасные.

Лидером в производстве высококлассных теплоизоляционных материалов в России является немецко-российское предприятие ОАО «Флайдерер-Чудово». который выпускает материалы «URSA» [8].

Характеристика этих материалов приведена в табл.4

Продукция марки «URSA» выпускается на оборудовании и по технологии фирмы «Флайдерер». Процесс производства многоступенчатый, практически известен давно. ;

и включает в себя: расчёт и подготовку шихты, её плавление, распыление на волокна с использованием центробежных сил и отверстий в чаше вращения, набрызга различных связующих и масел, формирование структуры ковра, который после полимеризации режется на заданные размеры и упаковка.

С большей наглядностью использование материала марки «URSA» можно видеть на рис. 2 и в табл. 5

Заслуживает внимания ЗАО «Минеральная вата», которое предлагает высококачественный базальтовый утеплитель концерна «Rockwool» г. Железнодорожный. Россия (качество продукции подтверждено сертификатами России и соответствует датскому качеству). Вся продукция с гидрофобизирован-ными водоотталкивающими добавками [9].

Обобщая историю производства теплоизоляционных материалов из минерального сырья, следует отметить, например, что Павлодарская область располагает всем необходимым сырьём для получения этого высокоэффективного материала, каким является силикатное волокно. По химическому составу и областям применения эти волокна делят на стеклянные, специальные, минеральные и специальные высокотемпературные (кварцевые, каолинито-вые, циркониевые и др.).

Вязкость, поверхностное натяжение и способность к кристаллизации - основные свойства силикатных расплавов, определяющих их способность к волокнообразова-нию.

Как показывают данные справочника [4], расплав для получения рядовой минеральной ваты содержит оксиды в пределах, % по массе 5702-35...60; А120 3-5...15; СаО-20...35; \4gO-5...15. Каждый из этих окислов, а также другие, которые являются попутными в исходных компонентах, оказывают существенное влияние на определённую группу свойств силикатного расплава. Так 5/0 2 важнейший стеклооб-разователь. повышающий вязкость и интервал вязкого расплава, химическую стойкость. Слишком большое его количество повышает тугоплавкость шихты. Повышая СаО До 45% снижается водостойкость волокна. NajO.KiO.LiO - являются плавнями, которые снижают склонность к кристаллизации, однако уменьшают водостойкость; В тО - -оказывает сильное флюссующее действие, понижает поверхностное натяжение расплава и температуру верхнего предела кристаллизации, увеличивает длину волокон, повышает водостойкость. но понижает химическую устойчивость (к щелочам, кислотам). В природном техногенном сырье, используемом для изготовления минеральных волокон эти оксиды, за

исключением К~> О, отсутствуют.

Сырьём для получения волокон служит боросиликатный расплав с высоким содержанием кремнезёма (более 65%). Основные компоненты шихты: кварцевый песок, известняк, кальцинированная сода и борная кислота. А1 -,0 - в шихту вводят с добавлением нефелинового или полевошпатно-го концентрата или каолина. Используя друг ие природные и техногенные материалы необходимо производить соответствующую корректировку шихты. Многокомпонентную шихту обычно рассчитывают методом составления и решения систем уравнений исходя из химического состава каждого компонента и требуемого химического состава стеклянной ваты (% каждого окисла). Для плавления шихты используют стекловаренные ванные или электрические печи.

Наиболее распространённым сырьевым материалом для производства минеральной ваты являются доменные шлаки. Большинство кислых ваграночных шлаков легкоплавки и пригодны для получения ваты из однокомпонентной шихты, но их применение ограниченно в связи с непостоянным химическим составом, значительным содержанием металла, поэтому кислые металлургические шлаки применяют для подкисления доменных.

Для производства минеральной ваты используют (кислые и основные) местные легкоплавкие от-

ходы производств (пыль цементных и керамзитовых печей, горелые породы, бой глиняного кирпича и т. д.), но в чистом виде эти материалы малопригодны для производства ваты. Их применяют в качестве составных (элементов) многокомпо-ненных шихт (при ванном способе плавления), либо подкислителей при плавлении доменных шлаков в вагранках.

Техногенные материалы отличаются большим разбросом химического состава в зависимости от месторождения минерального сырья основного производства. В связи с этим для получения качественной ваты, целесообразно использовать изверженные горные породы (базальты, диабазы, габбро и др.), метаморфические (амфиболиты) и осадочные породы (мергель, глины, из-

вестняки, окремнённые доломиты, мел). Применение природного сырья требует тщательного подбора химического состава компонентов шихты. Пригодность состава шихты определяют по трём важнейшим показателям: модуль кислотности (Л/А.), отношение суммы кислых окислов к сумме основных: модуль вязкости (Л/в), отвечающему соотношению мольных долей оксидов (кислых к основным); и показателю водостойкости (Пв ), отвечающему значению pH раствора, полученного при растворении измельчённой минеральной ваты в разбавленном растворе HCl-

Для каждого из этих показателей. согласно действующих стандартов, существуют ограничения связанные с качеством получаемой минеральной ваты.

ЛИТЕРАТУРА

1. Тихомиров К.В.. Сергеенко Э.С. Теплотехника, теплогазоснаб-жениеи вентиляция М.,1991.

2. СНиП II-3-79*. Нормы проектирования. Строительная теплотехника М., 1986.

3. Архитектура гражданских и промышленных зданий, том II. Основы проектирования М., Стройиз-дат, 1976.

4. Строительные материалы. Справочник/ под ред. A.C.Болдырева, П.П. Золотова. М., Стройиздат, 1989.

5. 1-ый Казахстанский Меж-

дународный Форум по Новым Технологиям. Астана, 2001, 24-25 мая.

6. Эковата- экологически чистый натуральный утеплитель. Проспект ТОО «ЭкоТИМ». Ал маты, 2001.

7. Теплоизоляционные материалы компании АКСИ. Проспект. Астана, 2001.

8. Теплоизоляционные изделия из стекловолокна. ОАО «Флай-дерер-Чудово», проспект, 2001.

9. ЗАО «Минеральная Вата», каталогпродукции «ROCKWOOL». Проспект, Астана, 2001.

ю

Таблица 1 Сравнительные данные по плотности и толщине слоя применяемых теплоизоляционных мате- ю

риалов, при постоянном термическом сопротивлении §

(О

Матер пап Плотность, кг/М2 Расчётный коэффициент теплопроводности, Вт/м • К Толщина слоя, мм

1.Кладка нч глннянного кирпича 510,00

(250x120x65) на ц/п растворе (ГОСТ 530-80) 1800 0,56

2.ЭКОВАТА 30 0,041 37,34

3. Маты минеральные на синтетическом 125 0,056 51,00

связующем 75 0,052 47,36

4 Стекловата 50 0.056 51,00

5 Пенополистирол 150 0,050 45.54

(ТУ 6-05-11-78-78) 100 0.041 37,34

б.Пенополиурет ан 60 0,035 31.88

(ТУ В-56-70, ТУ 67-87-79) 40 0,029 26,41

7.Гравий керамзитовый 300 0.108 9S.36

200 0,099 90,16

8 Стекловата «URSA»,

маты М-15 14-16 0,046 41,89

маты М-17 16-21 0,044 40,07

плиты П-15 13-16 0,046 41,89

плиты П-17 16-18 0,044 40,07

9 MHHBaTa«ISOVER» 0,041 37,34

СЛ

-Vj

Таблица 4 Технические характеристики теплоизоляционных изделий URSA® о

Теплснполяц! юнные Марки тдеша^ по ТУ 5763-002-00287697-97

_________ ПРЧлR МАТЫ ПЛИТЫ

1 15Д*_1и 1Л U11 М-11 М-15 М-17 М-25 П-15 П-17 П-20 П-30 П-35 П-15 П-60 П-75 П-85

1. Плотность, кг/ м 3 10-14 14-16 16-21 21-25 13-16 16-18 18-26 26-32 32-38 38-50 50-66 66-75 75-87

2Теплопроводность при г = 25°С, Вт/м- К 0 043 0.042 0 039 0038 0 042 0.040 0 036 0 036 0 035 0 034 0 034 0032 0.032

З.Ташопроводность при Г = 10° С, Вт/м • К 0 039 0 037 0 035 0 034 0.035 0 036 0 034 0.033 0 032 0 031 0 031 0 031 0 031

4.Сорбцнонная влажность за 72 часа, % по массе, не 5 5 5 5 5 S 5 5 5 5 5 5 5

более

5.Горючестъ НГ НГ НГ НГ НГ НГ НГ НГ НГ НГ НГ НГ НГ

6. Сж11маемос гъ пр 11

нагрузке 2000 Па, %, не более 80 70 70 1 60 ! 70 60 60 50 45 40 30 20 15

Длина, мм 65 ОС 11500 , 7500. 9000. , 15000. 18000 4000-8000 1250

РАЗМЕРЫ Ш]ф1шп. мм 600. 1200 600

Толщина, мм 50, 60. 80. 100, 120. 140 50. 60, 80. 100. 120 40. 50. 60. 80. 100 20. 25, 30. 35. 40 40

X >

<

7ч >

X

—I гп

X

I X

7\ >

>

Ы >

X О

—i >

Л

>

Таблица 5 Наиболее распространенные марки и применение теплоизоляции URSA®

Область применения Марки изделии по ТУ 5763-002-00287697-97

М-11 М-15 М-17 М-25 П-15 П-17 П-20 П-30 П-35 П-45 П-60 П-75 П-85

1. Для изоляции скатных крыш О О О

2. Для изоляции внутренних перегородок и каркасных панелей О О О

3. Для изоляции наружных стен О О о О О

4. Для изоляции межэтажных перекрытий О О О

5. Для изоляции потолков, подвалов О о О

6. Звукоизоляция от ударного шума О

7. Для изоляции трубопроводов О

8. Для изоляция резервуаров О о О о

9. Для изоляции вентиляционных каналов о О

Изделия URSA могут быть покрыты крафт-бумагой, стеклохолстом, алюминиевой фольгой, а также обработаны специальным водоотталкивающим составом. О - область применения.

Утепление зданий теплоизоляционными материалами URSA®

Крыша

Изоляция между стропилами

Перекрытие

Изоляция между балками

Стена

Изоляция снаружи

Внутренняя перегородка

Изоляция пространства каркаса

Поддал

Изоляция потолка

Трубопроводы н оборудование

C3D

Изоляция трубопроводов

Рисунок 2