Сопротивление теплопередаче стен с сыпучим теплоизоляционным материалом на основе древесных опилок Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

0

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

УДК 691.542

Камалова З.А. - кандидат технических наук, профессор Смирнов Д.С. - кандидат технических наук, доцент Е-mail: [email protected] Рахимов Р.З. - доктор технических наук, профессор

Казанский государственный архитектурно-строительный университет

Адрес организации: 420043, Россия, г. Казань, ул. Зеленая, д. 1

Сопротивление теплопередаче стен с сыпучим теплоизоляционным материалом

на основе древесных опилок

Аннотация

В статье рассмотрен опыт решения проблем по энергосбережению зданий и сооружений за счет использования эффективных теплоизоляционных материалов в стране и за рубежом. Приводится теплотехнический расчет ограждающих конструкций жилых зданий эконом-класса. В расчетах использованы разработанные авторами статьи составы сыпучих теплоизоляционных материалов на основе древесных опилок. Произведен расчет стационарного температурного поля в ограждении. Установлено ограничение температуры и конденсации влаги на внутренней поверхности ограждающей конструкции. Рассчитан влажностный режим ограждающих конструкций. Проведена проверка ограждающей конструкции на воздухопроницаемость.

Ключевые слова: сыпучая теплоизоляция, древесные опилки, теплопроводность, ограждающие конструкции, теплотехнический расчет.

Анализ опыта различных стран в решении проблемы энергосбережения показывает, что одним из наиболее эффективных путей ее решения является сокращение потерь тепла через ограждающие конструкции зданий, сооружений, промышленного оборудования, тепловых сетей. В этой связи обращает на себя внимание интенсивное развитие во многих странах промышленности теплоизоляционных материалов. В некоторых странах, таких, например, как Швеция, Финляндия, Г ермания, США и других, объем выпуска теплоизоляционных материалов на душу населения в 5-7 раз превышает этот показатель для холодной России [1, 2, 3].

Расчеты показывают, что потребность только жилищного сектора строительства в эффективных утеплителях в 2011 году может составить 25-30 млн. м3 и должна быть удовлетворена, в основном, за счет отечественных материалов. Вместе с тем, установленные (проектные) мощности страны по всем видам теплоизоляционных материалов оцениваются в 17-18 млн. м3 в год [1, 2].

В связи с широким развитием индивидуального строительства жилых домов эконом-класса в нашей стране расширилась потребность в доступных и дешевых теплоизоляционных материалах. Одной из широко применяемых разновидностей теплоизоляционных материалов с давних времен являются древесные опилки. Неоспоримое достоинство опилок - низкая цена, экологичность и технологичность в использовании. Недостатком является способность уплотняться со временем, в результате чего теплоизоляция на их основе утрачивает свои первоначальные характеристики. Кроме того, опилки подвержены гниению.

Авторами статьи разработаны составы сыпучих материалов на основе опилок с добавками гипса, извести и антисептических компонентов. Полученный теплоизоляционный материал лишен ранее перечисленных недостатков. Основной областью его возможного применения являются малоэтажные здания каркасного типа, в качестве конструктивных элементов каркаса в которых используется древесина.

В данной работе приводится теплотехнический расчет ограждающих конструкций с использованием разработанного материала оптимального состава. Техническое решение конструкции наружных стен представлено на рисунке. Для полученных составов проведен теплотехнический расчет ограждающих конструкций. Теплотехнический расчет [4] включает определение толщины теплоизоляционного слоя. В данной статье приводятся результаты для

сыпучего теплоизоляционного материала. Проектирование наружных ограждений построено на принципах ограничения количества тепла, теряемого ограждением в отопительный период, и поддержания на внутренней поверхности наружного ограждения температуры, при которой на внутренней поверхности не образуется конденсат.

Теплотехнический расчет начинаем с определения расчетного сопротивления теплопередаче Я0 основной части конструкции ограждения. Необходимым условием является Я0 > Я-^, где - минимально допустимое по санитарно-гигиеническим соображениям сопротивление теплопередаче, принимаемое по табл. 4 [5].

Это условие является необходимым, но недостаточным, т.к. при определении Ио следует учитывать технико-экономические показатели. Если приведенное сопротивление теплопередаче из условий энергосбережения Япрэн > Ягег, то расчетное сопротивление следует определять по условию Я0 ~ Япрэн. В этом случае Я0 больше минимально допустимого Яге? и целесообразно в экономическом отношении. Зная Я0 ограждения, необходимо проверить теплозащитные свойства отдельных элементов ограждающих конструкций (стыков, наружных углов, теплопроводных включений и др.). Необходимым и достаточным условием данного расчета является отсутствие конденсата на внутренней поверхности рассматриваемого элемента конструкции.

Для расчета теплопотерь и тепловых условий в помещении следует рассчитывать и приведенное сопротивление теплопередаче Я0пр ограждения, которое учитывает двухмерность температурного поля.

Для этого предварительно рассчитываем градусо-сутки отопительного периода (Бй)

[5] по формуле:

где = +22°С - расчетная температура воздуха внутри помещения, принимается по СНиП 23-01-99 [6]; гкг = -32°С - расчетная зимняя температура наружного воздуха для Казани, равная средней температуре наиболее холодной пятидневки с коэффициентом обеспеченности 0,92 [3]; 2кг = 215 сут/год - продолжительность отопительного периода

[6]. Таким образом = 5848.

Далее определяем минимально приведенное сопротивление теплопередаче Ягег м2°С /Вт ограждающих конструкций здания, исходя из условий энергосбережений [5]:

Яг^ = 3,5 м2°С /Вт

Рассчитываем толщину теплоизоляционного слоя в конструкции ограждения 5из, используя выражение:

1 ^ „ 1

а е\ь к

где X Я - сумма сопротивлений теплопроводности конструктивных слоев ограждения:

г=\

— для сосновой доски принимаем Я] = 0,13 м2°С /Вт (при теплопроводности 0,18 Вт/м°С);

— для ориентировано стружечной плиты (ОСП) принимаем Я2 = 0,045 м °С /Вт (при теплопроводности 0,2 Вт/м°С);

— для гипсокартона Я3 = 0,05 м2°С /Вт (при теплопроводности 0,18 Вт/м°С);

— ам = 8,7 Вт/м2°С - коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждения [5];

— аехг = 23 Вт/м2°С - коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждения [5]. Теплопроводность материала определяли с учетом фактической влажности, которая на

момент испытаний составила 28 %, а в сухом состоянии после предварительной сушки в первом случае коэффициент теплопроводности составил А^з = 0,2 Вт/м °С, во втором А^з = 0,08 Вт/м °С.

Подставляя значения в формулу, получаем необходимую толщину теплоизоляционного слоя - 5из = 25 см для сухого материала. Термическое сопротивление изоляционного слоя Я4 = 3,125 м2°С /В.

Действительное термическое сопротивление ограждающей конструкции составило Я0 = 3,51 м2°С /Вт. Таким образом, И0 > ЯгеЁ, что отвечает требованиям.

При стационарном режиме теплопередачи через ограждение температура в любой плоскости определяется по формуле:

г = г.

X т.

т. ехг

Я0

Яп. - X , С

где Ям-х - сумма термических сопротивлений части конструкций от внутренней поверхности ограждения до рассматриваемой плоскости, м2°С/Вт; Яо = 3,51 м2°С /Вт термическое сопротивление ограждающей конструкции. Тогда:

22 + 32

г , = 22---------0,115 = 22-15,38 • 0,115 = 20,23 °С

х1 3,51

гХ2 = 22 - 15,38 ■ (0,115 +0,05) = 19,46 °С

гхз = 22 - 15,38 ■ (0,115 + 0,05 +0,045) = 18,77 °С

гХ4 = 22 - 15,38 ■ (0,115 +0,05+ 0,045 + 3,125) = -29,3 °С

гх5 = 22 - 15,38 ■ (0,115 + 0,05 + 0,045 + 3,125 + 0,13) = -31,3 °С

График распределения температур представлен на рисунке.

Рисунок. Конструкция наружной стены. График распределения температур.

1. гипсокартон; 2. ОСП; 3. пароизоляция (полиэтилен); 4. теплоизоляция (опилки);

5. ветроизоляция (изоспан А); 6. доска сосновая

Расчетный температурный перепад Аг0 между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности ограждающей конструкции не должен превышать нормируемых величин Аг„, установленных в табл. 5 [5], и определяется по формуле:

Лгп = 4°С

П • ^ - {ех, )

А?0 =-

Я0 •О*

где п = 1 - коэффициент, учитывающий зависимость положения наружной поверхности ограждающих конструкций по отношению к наружному воздуху [2]. Подставляя значения в формулу, получим:

Аг 0 = 1(22 + 32) = 1,79 °С

3,51- 8,7

Аг0 < Агп условие выполнено.

Температура точки росы ^ при значении расчетной температуры внутреннего воздуха = 22 °С и расчетной относительной влажности воздуха в помещении = 60 % [5] составляет = 13,88 °С.

Температура внутренней поверхности стены txi = 20,23 °С. Таким образом, td < tx1. Следовательно, конденсации влаги на внутренней поверхности стены не будет.

Сопротивление паропроницанию ограждающей конструкции R^ (м2чПа/мг в пределах от внутренней поверхности и до плоскости возможной конденсации (слой утеплителя) определяют как сумму сопротивлений паропроницанию отдельных материальных слоев ограждения по формуле:

Rp =1 -m-

где 8 - толщина --го слоя, м; ßj - расчетный коэффициент паропроницаемости материала --го слоя, мг/мчПа.

Определяем сопротивления паропроницанию для различных слоев ограждения:

— доска сосновая: л = 0,06 мг/мчПа, Si = 0,024 м, Rvpi = 0,4 м2чПа/мг;

— ветроизоляция (изоспан А): Rvp2 = 7 м чПа/мг;

— теплоизоляция (опилки): л = 0,45 мг/мчПа, ¿3 = 0,25 м^ур3 = 0,55 м2чПа/мг;

— пароизоляция (полиэтилен): Rvp4 = 7,3 м2 чПа/мг;

— ОСП: л = 0,12 мг/мчПа, ö5 = 0,009 м, Rvp5 = 0,075 м2чПа/мг;

— гипсокартон: л = 0,075 мг/мчПа, ¿б = 0,009 м, Rvp6 = 0,12 м2чПа/мг;

Тогда, Rvp = 0,12+0,075+7,3+0,55 = 8,045 м чПа/мг.

Согласно [2] найденное значение сопротивления паропроницанию Rxp должно быть не менее наибольшего из двух нормируемых сопротивлений паропроницанию -Rp и R^l. Нормируемое сопротивление паропроницанию Rpg из условия недопустимости

накопления влаги в ограждающей конструкции за годовой период эксплуатации определяется по формуле:

Rreg = (eint — E) • К

4,1 (E — ) ’

где eint - парциальное давление водяного пара внутреннего воздуха, Па;

e = jt • E

mt 100 mt’

Eint = 2644 Па - парциальное давление насыщенного водяного пара воздуха помещения при расчетной температуре tint = +22°С внутреннего воздуха [7];

eext = 450 Па - среднее парциальное давление водяного пара за годовой период [5]; RUp - сопротивление паропроницанию части ограждающей конструкции,

расположенной между наружной поверхностью и плоскостью возможной конденсации

(для сосны поперек волокон л = 0,06 мг/мчПа).

8 0,024 4 2 П /

Rvp = — =-= 4м чПа / мг

vp ß 0,06

jint = 60 % - относительная влажность воздуха в помещении [5].

emt = — • 2664 = 1586МПа mt 100

Находим продолжительность зимнего, весенне-осеннего и летнего периодов года (z), а также соответствующие им средние температуры (text) [3]:

— Зимний период zi = 4 месяца tlext = —10,9 °С;

— Весенне-осенний период z2 = 3 месяца t^^ = +3,3 °С;

— Летний период z3 = 5 месяцаt]xt = +15,4 °С.

Температуру в плоскости возможной конденсации вычисляем по формуле:

t = t — — iexL • SR or

‘v —x ‘int n int —x’ С

Rk

mint_x = 0,115+0,05+0,045+3,125=3,335 м2°С/Вт где Rk - термическое сопротивление ограждающей конструкции с последовательно расположенными однородными слоями, м2°С/Вт.

Як = & + Я-2 + Яз + Я-4 = 0,05+0,045+3,125+0,13 =3,35 м2°С/Вт.

Тогда, для зимнего периода:

22 +109

П = 22----------2-. 3,335 = -10,75 °С

п-х 3,35

в соответствии с приложением С [4] определяем упругость насыщенного водяного пара:

Е1 = 240 МПа

для весенне-осеннего периода:

22 - 3 3

П = 22-------------• 3,335 = +3,39 °С

п -х 3,35

Е2 = 780 МПа

для летнего периода:

= 22 - 22 -15,4 • 3,335 = +15,43 °С п-х 3,35 С

Е3 = 1750 МПа

Определяем парциальное давление насыщенного водяного пара в плоскости возможной конденсации за годовой период эксплуатации:

Е = (Е1 г + Е2г2 + Е3г3) = 240•4 + 780•3 +1750•5 = 1004 мпа 12 12

Подставляя полученные значения в исходную формулу, определяем ЯЦр{:

пе (1586-1004) • 4 . „ 2 П ,

Я ге% = ^---------— = 4 2 м чПа/мг

ир1 (1004 - 450)

Нормируемое сопротивление паропроницанию Яр. определяем из условия

ограничения влаги в ограждающей конструкции за период с отрицательными месячными температурами наружного воздуха и рассчитываем по формуле:

Яге§ =

0,0024 • г0 • (еш4 - Е0)

ир2 Р. • ^+Л

где го = 156 сут. - продолжительность периода влагонакопления, принимается равной периоду с отрицательными среднемесячными температурами наружного воздуха [6].

Средняя температура наружного воздуха периода месяцев с отрицательными среднемесячными температурами составляет ^ = -8,7 °С, которой соответствует среднее парциальное давление водяного пара наружного воздуха периода месяцев с отрицательными среднемесячными температурами е^ = 291 МПа.

Среднюю температуру наружного воздуха в плоскости возможной конденсации вычисляем по ранее приведенной формуле:

22 + 8,7

П = 22-----------.3,335 = -8,56 °С

3,35 С

Е0 = 295 Па - парциальное давление водяного пара в плоскости возможной конденсации [4]; п - коэффициент, определяемый по формуле:

ех1 \

_ =^-------= ^-------------------ь,-------------= 0,374,

Яв 4

р

где ра = 300 кг/м2 - плотность материала увлажняемого слоя; = 0,25 м - толщина

увлажняемого слоя (слоя утеплителя); АЖа$ = 3 % - предельно допустимое приращение расчетного массового отношения влаги в материале увлажняемого слоя, за период влагонакопления г0 = 156 сут. [5].

Подставляя значения в формулу, получим:

Я = 0,0024 •156 (1586 -2-5) = 2 14 м2чПа/мг

и2 300.0,25.3 + 0,374

Наибольшее из двух нормируемых сопротивлений паропроницанию меньше сопротивления паропроницанию ограждающей конструкции, что отвечает требованиям.

Я е = 4,2 м чПа/мг < Яур = 8,045 м чПа/мг.

При проверке ограждения на воздухопроницание сравниваются величины

I НА2'- ГТ-/—'' ~ Л------------- /..2,

inf

нормируемого Rf (м чПа/кг) и фактического Rf, (м чПа/кг) сопротивления

воздухопроницанию.

рмируемое сопротивление воздухопроницанию ^

Определяем нормируемое сопротивление воздухопроницанию Rf:

R des _ DP Rinf _ n ’

Gn

где Gn = 0,5 кг/м2-ч - нормативная проницаемость ограждающей конструкции [2]; АР - разность давлений воздуха на наружной и внутренней поверхностях ограждающих конструкций определяем по формуле:

АР = 0,55-Н (уext - Yint) + 0,03-yext V2,

где Н = 10 м - высота здания (от уровня пола первого этажа до верха вытяжной шахты), м; V = 7,5 м/с - максимальная из средних скоростей ветра по румбам за январь, повторяемость которых составляет 16 % и более [3]; yext,, yint - плотность Н/м3, соответственно, наружного и внутреннего воздуха, определяемая по значению их температуры по формуле:

3463

g _--------

273 +1

Тогда

3463 3 3463 3

g _-----------_ 14 37 Н/м , g. _----------_ 11 74 Н/м

ext 273 - 32 273 + 22

АР = 0,55 10 (14,37 - 11,74) + 0,03-14,37-7,52 = 14,465+24,25 = 38,715 Па

п,re8 38,715 __ 2 г, ,

R g _ —------_ 77 43 м чПа/кг

mf 0,5

Фактическое сопротивление воздухопроницанию конструкции Rf находим по формуле:

Rf _ SRut

Сопротивление воздухопроницанию для различных слоев ограждения Ru, м2 чПа/кг определяем по СНиП II-3-79*:

доска сосновая Ru1 = 1,5 м2 чПа/кг;

ветроизоляция (изоспан А) Ru2 > 2000 м2 ч Па/кг;

теплоизоляция (опилки) Ru3 = 0;

пароизоляция (полиэтилен) Ru4 > 2000 м2 ч Па/кг;

ОСП Ru5 = 3,3 м ч-Па/кг;

гипсокартон Ru6 = 20 м2 ч Па/кг;

обои Ru7 = 20 м2 ч Па/кг;

Rif > 4000 м ч Па/кг

Сравнивая полученные значения Rf > Rf, делаем вывод о том, что ограждающая конструкция отвечает требованиям по воздухопроницанию.

Таким образом, в результате проведенных расчетов установлено, что применение разработанного материала в качестве теплоизоляции в ограждающих конструкциях позволяет обеспечить все теплотехнические характеристики здания при толщине стены не более 26 см. Как было установлено ранее, минимально приведенное сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций здания, исходя из условий энергосбережений для нашего региона, составляет Rreg = 3,5 м2°С /Вт. Для обеспечения только этого показателя толщина наружной стены из древесины составляет уже не менее 63 см, а в случае применения керамического кирпича с теплопроводностью 0,52 Вт /м2°С - около 1,8 м. Это более чем в два раза превышает толщину стены с теплоизоляцией на основе разработанного материала в первом случае и почти в 7 раз - во втором.

Список литературы

1. Овчаренко Е.Г., Артемьев В.М. О приоритетных направлениях научнотехнического развития в теплотехническом строительстве. // Монтажные и строительные работы в строительстве, 1998, № 10. - С. 11-12.

2. Овчаренко Е.Е., Артемьев В.И. и др. Тепловая изоляция и энергосбережение. // Энергосбережение, 1999, № 2.

3. Рахимов Р.З., Шелихов Н.С. Современные теплоизоляционные материалы. Учебное пособие. - Казань: КГАСУ, 2006. - 392 с.

4. Замалеев З.Х., Осипова Л.Э., Валиуллин М.А., Сафиуллин Р.Г. Примеры расчетов по отоплению и вентиляции жилых зданий: Учебное пособие. / Под общей редакцией Посохина В.Н. - Казань: КГАСУ, 2007. - 176 с.

5. СНиП 23-02-2003. Тепловая защита зданий. - М.: Госстрой РФ, 2003.

6. СНиП 23-01-99. Строительная климатология. - М.: Госстрой РФ, 2000.

7. СП 23-101-2004. Свод правил по проектированию и строительству.

8. Проектирование тепловой защиты зданий. - М.: ОАО ЦНИИпромзданий, ФГУП ЦНС, 2004.

Kamalova Z.A. - candidate of technical science, professor Smirnov D.S. - candidate of technical science, associate professor E-mail: [email protected] Rachimov R.Z. - doctor of technical science, professor Kazan State University of Architecture and Engineering The organization address: 420043, Russia, Kazan, Zelenaya st., 1

Thermal resistance of walls with insulation materials loose on the basis of sawdust Resume

The article describes the experience of the problems of energy saving buildings and structures through the use of effective thermal insulation materials in the country and abroad. The authors of the articles are designed compositions of bulk materials based on filings with the addition of gypsum, lime and antiseptic ingredients. The resulting heat-insulating material is rot and caking, inexpensive, easy to manufacture and environmentally safe. The main area of its possible applications are low-rise buildings frame type, as structural elements of the framework that use metal or wood. In this paper we present a calculation of the Thermal walling using material developed by the optimum composition. Thermal calculation includes the determination of thickness of the insulation layer. Design exterior fences built on the principles of limiting the amount of heat lost by the enclosure during the heating season and to maintain the inner surface of the outer enclosure temperature at which the inner surface of no condensation. This paper presents a technical solution design exterior walls. The calculation of steady-state temperature field in the enclosure. A limitation of temperature and moisture condensation on the inner surface of the cladding. Calculated moisture conditions walling. Checking the cladding on the air permeability showed that it meets the requirements. As a result of the calculations indicated that the application of the developed material as an insulator in protecting designs can provide all the thermal performance of the building with wall thickness not exceeding 26 cm.

Keywords: loose insulation, wood chips, thermal conductivity, building envelope, heat engineering calculations.

References

1. Ovcharenko E.G., Artemyev У.М. About priority directions of scientific and technological development in the thermo-building. // Installation and construction work in construction, 1998, number 10. - Р. 11-12.

2. Ovcharenko E.E., Artemiev V.I. and other thermal insulation and energy conservation. // Energy savings, 1999, № 2.

3. Rakhimov R.Z., Shelikhov N.S. Modern insulation materials. Study Guide. - Kazan: KGASU, 2006. - 392 р.

4. Zamaleev Z.K., Osipova L.E., Valiullin M.A., Safiullin R.G. Examples of calculations for heating and ventilation of residential buildings: Tutorial. / Edited by Posokhin V.N. -Kazan: KGASU, 2007. - 176 р.

5. SNiP 23-02-2003. Thermal protection of buildings. - M.: Russian State Committee for Construction, 2003.

6. SNiP 23-01-99. Building climatology. - M.: Russian State Committee for Construction, 2000.

7. SP 23-101-2004. The Code of Practice for design and construction.

8. Design of thermal protection of buildings. - M.: OAO CNIIpromzdany, FSUE CNS, 2004.