CC BY
23
УДК 692.2:691.116+728.2.002.237:699.86
ЦВЕТКОВ ДМИТРИЙ НИКОЛАЕВИЧ, мл. науч. сотрудник, kaftgs@tsuab. т
Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, Томск, пл. Соляная, 2
ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ НАРУЖНЫХ ОГРАЖДЕНИЙ ЗДАНИЙ ИЗ КЛЕЕНЫХ ДЕРЕВЯННЫХ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ СОРТИМЕНТОВ
Представлены обобщенные результаты моделирования стационарного и нестационарного теплопереноса в перспективных ограждающих конструкциях зданий из клееных энергоэффективных деревянных сортиментов для малоэтажного строительства.
Ключевые слова: ограждающие конструкции зданий; температурные поля; приведенное сопротивление теплопередачи; энергоэффективность; энерго-и ресурсосберегающая технология; профилированный клееный брус с утепляющими вставками.
TSVETKOV, DMITRIYNIKOLAEVICH, junior researcher, kaftgs@tsuab. ru
Tomsk State University of Architecture and Building,
2 Solyanaya sq., Tomsk; 634003, Russia
THERMO TECHNICAL JUSTIFICATION FOR EXTERIOR ENCLOSURES OF BUILDINGS MADE OF LAMINATED ENERGY EFFICIENT WOODEN ASSORTMENTS
The generalized results of steady-state and unsteady heat transmission modeling in long-term enclosures of buildings made of laminated energy-efficient wooden assortments for low-rise construction are presented.
Keywords: enclosures of buildings; temperature fields; resulted resistance of heat transmission; energy efficiency; energy-and resource-saving technology; profiled laminated timber with heating insertions.
В выступлении В. В. Путина в Ступино на совещании 1 июля 2011 г. отмечено, что развитие малоэтажного строительства - это «безусловно, весьма перспективная форма решения задачи обеспечения граждан доступным, удобным, экологичным жильём» [1]. На этом совещании были озвучены масштабы малоэтажного строительства в России - «довести к 2015 г. его долю в общем объёме возводимого жилья в стране до 60 %. В реальном выражении это означает примерно 54 млн кв. м». Премьер сообщил, что «только на стимулирование программ жилищного строительства субъектов Российской Федерации в ближайшие пять лет будет направлено где-то порядка 25 млрд рублей из федерального бюджета». При этом отметил, что «предел по возведению масштабных объектов в существующих границах городов практически уже достигнут. Дальнейшая так называемая точечная застройка будет только усугуб-
© Д.Н. Цветков, 2012
лять и без того сложную транспортную, экологическую ситуацию в мегаполисах, в других населённых пунктах».
Очевидность преимущества малоэтажного жилищного строительства при реализации проектов комплексного освоения территорий определена В.В. Путиным: «во-первых, такая застройка приемлема для совершенно разных регионов и районов Российской Федерации, в том числе возможна к реализации в достаточно сложных районах - со сложным рельефом или даже с высокой сейсмичностью; во-вторых, малоэтажки достаточно быстро возводятся благодаря современным технологиям и весь процесс занимает от месяца до полугода, потому что для строительства используются, как правило, так называемые домокомплекты, которые почти на 90 % подготовлены в заводских условиях (это обусловливает и вполне приличное, хорошее качество этих строений, поскольку делается всё в заводских условиях); в-третьих, рыночная стоимость таких домов вполне сопоставима с ценой экономжилья в многоэтажных домах, а иногда и ниже» [1].
В докладе было подчеркнуто, что достоинства малоэтажного жилья неоспоримы: оно экологически вполне соответствует современным требованиям эксплуатации, и применяемые здесь энергоэффективные технологии позволяют снизить расходы на эксплуатацию такого дома примерно в 3,5 раза; местоположение вдали от перегруженных трасс, промышленных производств, городской суеты, и, конечно, наличие пусть небольшого, но всё-таки своего участка земли.
«Замечу, - констатировал В.В. Путин, - что, по данным социологических опросов, большинство наших граждан отдаёт предпочтение именно малоэтажному строительству».
Россия - крупнейшая лесная держава. На долю России приходится 1/5 лесопокрытой площади планеты и мировых запасов древесины, в том числе почти половина запасов наиболее ценной древесины хвойных пород [2]. На территории Российской Федерации расположено 20 % мировых лесных ресурсов, в том числе ценных хвойных пород [3].
В настоящее время в России строится около 6 млн кв. м деревянных жилых домов в год. Ожидается, что к 2020 г. в нашей стране этот уровень достигнет 24 млн кв. м в год [3].
Очевидно, что актуальность исследований и разработок, связанных с малоэтажным строительством домов из древесины, возрастает. При этом не менее актуальными становятся вопросы эффективного использования древесины в строительстве.
Использование клееного профилированного бруса для малоэтажного строительства имеет ряд неоспоримых преимуществ по сравнению с использованием бревен и обычного бруса:
- отсутствие поврежденных участков или дефектов;
- повышенная прочность и стойкость к деформациям;
- малая усадка после строительства с возможностью монтажа инженерных систем сразу же после возведения здания;
- возможность перекрытия больших пролетов (более 80 м);
- высокая сейсмостойкость;
- повышенная коррозионная стойкость, возможность использования для помещений с агрессивными средами;
- возможность получения оригинальных архитектурных форм;
- высокие эстетические качества;
- повышенная стойкость к воздействию грибков, древоточцев и микроорганизмов.
Профилированный клееный брус имеет и недостатки: существенные затраты электрической энергии, большие отходы древесины, значительные финансовые затраты на режущий инструмент при строгании ламелей; высокие затраты тепловой энергии на сушку досок для ламелей; большой вес погонного метра; недостаточное тепловое сопротивление.
Устраняя эти недостатки, коллективы кафедр «Теплогазоснабжение» и «Машины, оборудование и технологии деревообработки» ТГАСУ совместно с ООО «ЛЕСИНВЕСТ» разработали технические решения клееного деревянного профилированного бруса с утепляющими вставками [4-11].
Примеры опытной продукции наиболее прочных изделий (бруса) с утепляющими вставками представлен на рис. 1.
а б в
Рис. 1. Опытные образцы клееных деревянных изделий с теплоизоляционными вставками ПЕНОПЛЭКС®:
а - строительный элемент; б - брус с двумя утепляющими вставками; в - брус с тремя утепляющими вставками
ПЕНОПЛЭКС® получают современным методом как материал с равномерной структурой, состоящий из мелких, полностью закрытых ячеек с размерами 0,1-0,2 мм. Его получают путем смешивания гранул полистирола при повышенной температуре и давлении с введением вспенивающего агента и последующим выдавливанием из экструдера.
В качестве вспенивающего агента используются смеси легких фреонов и двуокись углерода (СО2). Фреоны, применяемые для производства плит ПЕНОПЛЭКС®, относятся к группе озонобезопасных, нетоксичных и негорючих. После изготовления плит в ячейках происходит относительно быстрое замещение остатков вспенивателя окружающим воздухом. Благодаря своей структуре плиты ПЕНОПЛЭКС® обладают стабильными теплотехническими показателями и необычайно высокой прочностью на сжатие и характеризуются низкой теплопроводностью (до 0,033 Вт/(м-К)); отсутствием водопоглоще-ния; низкой паропроницаемостью; высокой прочностью на сжатие; стойко-
стью к горению; отсутствием биологического разложения; экологической чистотой; простотой и удобством применения; долговечностью.
Строительный элемент (рис. 1, а) может быть использован для устройства полов первых этажей, чердачных перекрытий, внутренних перегородок с повышенной звукоизоляцией. Брус (рис. 1, б, в) может быть использован при возведении стен. При строительстве каркасных зданий можно рекомендовать профилированный утепленный брус, выпускаемый фирмой ООО «Сибрэкс» (г. Новокузнецк) с двумя ламелями (рис. 2, а), или более прочный брус, защищенный патентом [11] с тремя ламелями (рис. 2, б). Наружная ламель связана со средней ламелью деревянными коннекторами, распределенными снизу и сверху бруса на определяемых расчетом расстояниях друг от друга.
аб
Рис. 2. Клееный профилированный деревянный брус с эффективными теплоизоляционными вставками:
а - брус фирмы «Сибрэкс» с вставками ПОЛИСТЕН; б - брус с двумя утепляющими вставками ПЕНОПЛЭКС®
Ниже представлены обобщенные результаты моделирования стационарного и нестационарного теплопереноса в перспективных ограждающих конструкциях зданий из клееных энергоэффективных деревянных сортиментов для малоэтажного строительства.
Для различных влажностных зон России (Владивосток, Москва, Томск и Краснодар) в пятилетнем цикле эксплуатации исследовано влажностное состояние наружной деревянной брусчатой стены в зависимости от ее начального влагосодержания, относительной влажности воздуха в помещении ф^, толщины и породы древесины [12]. Установлено (рис. 3), что влажность наружных брусчатых стен Wср, независимо от начальной влажности стен win, в течение двух лет стабилизируется. Далее, в соответствии с сезонными изменениями погодных условий, она колеблется относительно характерной средней величины для каждой зоны влажности России. Разработанные физикоматематическая модель [12] и программа расчета позволяют определить и задать производителю начальную влажность стенового бруса win, предназначенного для строительства в конкретной климатической зоне.
Рис. 3. Cpеднее влагосодержание сосновой брусчатой стены для различных зон влажности при фп = 50 % и win = var:
а - win = 0,1; б - 0,125; в - 0,15; 1 - Владивосток; 2 - Москва; 3 - Томск; 4 -^аснодар
Это позволяет исключить коробление стен (при заниженной начальной влажности) или появление неплотностей в стенах (при завышенной начальной влажности).
Показаны эффекты энергосбережения при использовании деревянного бруса с утепляющими вставками [13] и выполнен расчет влажностного режима наружных стен [14] на основе известных методик. Показана необходимость дальнейшей разработки математической модели тепловлагопереноса.
В последующих основных работах [15-17] представлены результаты детального исследования теплозащитных свойств наружных стен, выполненных из профилированного клееного бруса с утепляющими вставками. Разработанная программа [18] зарегистрирована в Реестре программ для ЭВМ РФ.
Динамика изменения перепадов температуры [15] по толщине стены из бруса с тремя утепляющими вставками (расчетная область изображена на рис. 4) представлена на рис. 5. Перепады определялись между температурой на текущей координате толщины бруса х по оси симметрии вставок бруса ((х, Ук/2, т) и температурой на текущей координате толщины бруса х по оси симметрии между двумя брусами ((х, Ук, т), где Ук - высота бруса. Расчеты выполнялись для климатических условий г. Томска.
Хі
Х,
Х4
Х5
Хб
Хк
Рис. 4. Расчетная схема стены из деревянного бруса с тремя утепляющими вставками:
1 - деревянный брус (расчетная область 1); 2, 3, 4 - утеплитель (расчетные области 2, 3, 4)
х
Расчет производился на основе метода расщепления Н.Н. Яненко и итерационно-интерполяционного метода при следующих исходных данных: наружная температура принималась -40 °С; внутренняя температура принималась +20 °С; теплопроводность древесины 0,14 Вт/(мК); теплопроводность утеплителя 0,05 Вт/(мК), в начальный момент времени температура в расчетном фрагменте принималась равной +20 °С; Х1 = 0,071 м; Х2 = 0,101 м; Хз = 0,131 м; Х4 = 0,161 м; Х5 = 0,191 м; Хб = 0,221 м; У = 0,025 м; 72 = 0,105 м; Хк = 0,232 м; Ук = 0,130 м.
Из рис. 5 видно, что возмущения температурного поля в поперечном сечении 7к/2, вызванные утепляющими вставками, снижаются с течением времени вблизи наружной поверхности и увеличиваются вблизи внутренней поверхности. Имеют место три экстремума выше и ниже оси симметрии теплоутепляющих вставок. Для бруса с одной и двумя утепляющими вставками наблюдаются один и два экстремума, соответственно выше и ниже оси симметрии у = Ук/2.
Координата по толщине наружной стены, м
Рис. 5. Динамика изменения перепадов температуры ґ(х, 7к, Т) - ґ(х, 7/2, Т) по толщине стены во времени
При стационарном режиме теплопереноса (т > 6-105 с) перепады температуры А? = ?(х, 7к) - ?(х, 7к/2) не превышают 2 °С при самых жестких расчетных условиях для г. Томска.
Эти результаты показывают, что под действием градиентов температуры влага в древесине расчетного элемента стены будет перемещаться по направлениям теплового потока от оси утепляющих вставок конкретного бруса к местам его сочленения с верхним и нижним брусом по высоте стены.
Теплоустойчивость разработанных технических решений показана на типичном примере расчета колебаний температурных полей в наружной стене при периодическом изменении температуры наружного воздуха (рис. 6).
Видно, что по мере удаления от наружной поверхности амплитуда колебаний температуры уменьшается по величине и происходит запаздывание колебаний по фазе. Например, если на внешней поверхности бруса расчетная амплитуда колебаний температуры была равна 8,264 °С, то на внутренней поверхности она равна уже 0,115 °С. Анализ колебаний тепловых потоков (рис. 7) через внутреннюю и наружную поверхности бруса, обусловленных
колебаниями температуры наружного воздуха, показывает, что амплитуда колебаний через наружную поверхность расчетного фрагмента довольно значительна и равна 2,436 Вт, что составляет около 99,7 % от среднего значения теплового потока на наружной поверхности. По мере приближения к внутренней поверхности бруса амплитуда колебаний тепловых потоков уменьшается, и на внутренней поверхности она равна 0,140 Вт/м2, что составляет около 5,8 % от среднего значения теплового потока на внутренней поверхности.
і, °С
Рис. 6. Зависимости температуры от времени на оси утепленного бруса в точках с координатами х = 0 (9), 0,04 (8), 0,07 (7), 0,10 (б), 0,13 (5), 0,16 (4), 0,19 (5) и 0,20 (2) м соответственно, полученные при изменении температуры наружного воздуха по кривой 1
в, Вт
Рис. 7. Зависимости тепловых потоков от времени через внутреннюю (кривая 1) и наружную (кривая 2) поверхности утепленного бруса при циклическом законе изменения температуры наружного воздуха
Эти расчеты показали, что наружные стены, выполненные из бруса с утепляющими вставками, обладают хорошими параметрами теплоустойчивости для районов с суровыми климатическими условиями.
Теоретически и экспериментально исследованы пространственные закономерности формирования температурных полей и тепловых потоков в различных угловых сопряжениях деревянных брусчатых стен, выполненных из обычного бруса и из клееного неоднородного бруса с учетом анизотропии древесины [17, 19]. Экспериментальное исследование выполнялось в климатической камере ТГАСУ с рабочим объемом 58 м3. Исследованы тепловые процессы в конструкциях угловых соединений брусьев по типу «в чашку» и по типу «в полдерева». Расчетные значения полей температуры внутреннего угла и полей, полученных в эксперименте, совпадают при максимальном расхождении не более 8,6 %. Это позволяет надежно использовать разработанную программу расчета [18]. Разработаны технические условия [20] на изготовление бруса с утеплителем.
Заключение
Для различных климатических зон России приведены обобщающие результаты исследования теплового и влажностного режимов наружных ограждающих конструкций из деревянного бруса с утепляющими вставками, позволяющие прогнозировать в пятилетнем цикле поведение их теплозащитных свойств. Теоретически и экспериментально доказано, что применение разработанных технических решений конструкций из утепленного профилированного клееного бруса позволит снизить вес наружных стен (толщина 0,21 м) от 25 % (наиболее прочный брус) до 70 % в сравнении со стеной той же толщины, выполненной из бруса без утепляющих вставок. При этом повышается термическое сопротивление стены от 1,5 до 4,3 (м2К)/Вт. Изготовлена по разработанным техническим условиям опытная партия утепленного клееного бруса. Результаты теплотехнического испытания стен и углов из этого бруса в климатической камере ТГАСУ позволяют рекомендовать производство этой инновационной продукции. Это даст возможность быстро и качественно (домокомплекты более чем на 90 % будут изготавливаться в заводских условиях) строить малоэтажные энергоэффективные деревянные жилые дома и частично решить актуальные вопросы малоэтажного строительства в суровых климатических условиях.
Библиографический список
1. Выступление Председателя Правительства Российской Федерации В.В. Путина в Ступино по развитию малоэтажного строительства 1 июля 2011 года [Электронный ресурс]. - Условия доступа : http://premier.gov.ru, http://vladimirput.in
2. Уголев, Б.Н. Древесиноведение и лесное товароведение / Б.Н. Уголев. - М. : Изд. центр «Академия», 2004. - 272 с.
3. Деревянное домостроение/ под общ. ред. проф. А.Г. Черных. - СПб. :СПбГЛТА, 2008. - 343 с.
4. Пат. 38793. Российская Федерация, МПК Е 04 С 3/292. Деревянный брус /А.Н. Хуторной, С.В. Хон, А.Г. Козырев, А.В. Колесникова, О.И. Недавний, А.Я. Кузин, Н.А. Цветков; ТГАСУ. - № 2004108395/22 ; заявл. 23.03.2004 ; опубл. 10.07.2004, Бюл. № 19 (IV ч.).
5. Пат. 40344. Российская Федерация, МПК Е 04 В 2/06. Стена /А.Н. Хуторной, С.В. Хон, А.Г. Козырев, О.И. Недавний, А.Я. Кузин, Н.А. Цветков, А.В. Колесникова; ТГАСУ. -№ 2004110176/22 ; заявл. 05.04.2004 ; опубл. 10.09.2004, Бюл. № 25 (IV ч.).
6. Пат. 4905З. Российская Федерация, МПК Е 04 С 3/292. Утепленный деревянный брус /А.Н. Хуторной, С.В. Хон, Н. А. Цветков, А.Я. Кузин, Д.Н. Цветков, О.Ю. Парфирьева; ГОУВПО «ТГАСУ». - № 2005117395/22 ; заявл. 06.06.2005 ; опубл. 10.11.2005, Бюл. № 31.
7. Пат. 564З0. Российская Федерация, МПК Е 04 С 3/292. Деревянный брус /А.Н. Хуторной, Н. А. Цветков, А. Г. Козырев, А. Я. Кузин, Д. Н. Цветков, А. В. Жуков; ГОУВПО «ТГАСУ»; ООО «Лесинвест». - № 2006115040/22 ; заявл. 02.05.2006 ; опубл. 10.09.2006, Бюл. № 25 (IV ч.).
S. Пат. 57З11. Российская Федерация, МПК Е 04 С 3/292. Клееный строительный элемент / А. Н. Хуторной, Н. А. Цветков, А. Г. Козырев, А. Я. Кузин, Д. Н. Цветков, А. В. Жуков; ГОУВПО «ТГАСУ»; ООО «Лесинвест». - № 2006117541/22 ; заявл. 22.05.2006 ; опубл. 10.10.2006, Бюл. № 2S (II ч.).
9. Пат. 85516. Российская Федерация, МПК Е 04 С 3/29. Клееный строительный элемент (варианты) /А.Г. Козырев, А.Н. Хуторной, Н.А. Цветков, А.Я. Кузин, И.А. Лесняк; ГОУВПО «ТГАСУ»; ООО «Лесинвест». - № 2009115917/22 ; заявл. 27.04.2009 ; опубл. 10.0S.2009, Бюл. № 22.
10. Пат. 86207. Российская Федерация, МПК E 04 C 3/29. Клееный брус (варианты) / А. Г. Козырев, Н. А. Цветков, А. Н. Хуторной, А. В. Колесникова; ГОУВПО «ТГАСУ»; ООО «Лесинвест». - № 2009117667/22 ; заявл. 0S.05.2009 ; опубл. 27.0S.2009, Бюл. № 24.
11. Пат. 108777. Российская Федерация, МПК E 04 C 3/292 (2006.01). Комбинированный клееный брус / Н. А. Цветков, А. В. Колесникова, Н. А. Черкашина, Д. Н. Цветков; ГОУВПО «ТГАСУ». - № 2011119S41/03 ; заявл. 17.05.2011 ; опубл. 27.09.2011, Бюл. № 27.
12. Исследование влажностного состояния наружной деревянной брусчатой стены / А.Я. Кузин, Т.А. Мирошниченко, Д.Н. Цветков [и др.] // Вестник ТГАСУ. - 2007. -№ 2. - С. 1S6-194.
13. Цветков, Д. Н. Эффекты энергосбережения при использовании деревянного бруса с утепляющими вставками / Д.Н. Цветков, О.О. Тищенко // Матер. ХЇЇ Междунар. науч.-практ. конф. студ. и молодых ученых «Современные техника и технологии», 27-31 марта 2006 г. - Томск і Том. политехн. ун-т, 2006. - С. 411-413.
14. Цветков, Д. Н. Тепловлажностные режимы наружных стен зданий из клееного бруса с утепляющей вставкой / Д.Н. Цветков // Матер. ХП междунар. науч.-практ. конф. студ. и молодых ученых «Современные техника и технологии», 27-31 марта 2006 г. - Томск і Том. политехн. ун-т, 2006. - С. 414-416.
15. Нестационарный теплоперенос в наружных стенах зданий из клееного бруса с тремя утепляющими вставками / А.Я. Кузин, А.Н. Хуторной, Н.А. Цветков [и др.] // Вестник ТГАСУ. - Томск і Изд-во Том. гос. архит.-строит. ун-та, 2007. - № 3. - С. 1S6-194.
16. Математическое моделирование тепло- и влагопереноса в наружных деревянных ограждающих конструкциях / А.В. Жуков, А.Я. Кузин, Т.А. Мирошниченко [и др.] // Известия вузов. Строительство. - 2007. - № 1. - С. S-15.
17. Нестационарный пространственный теплоперенос в неоднородном угловом фрагменте деревянной брусчатой стены / А.Я.Кузин, А.Н. Хуторной, Д.Н. Цветков [и др.] // ИФЖ. - 2009. - Т. S2. - № 4. - С. 6SS-692.
1S. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ 200S611294 Российская Федерация. Нестационарный теплоперенос в неоднородном фрагменте наружной стены здания с тремя утепляющими вставками /А. Я. Кузин, А. Н. Хуторной, Н. А. Цветков, Д.Н. Цветков, М.С. Филюшина; ГОУВПО «ТГАСУ». - № 2007614S13 ; заявл. 30.11.2007 ; зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 14.03.200S ; опубл. в Бюл. «Программы для ЭВМ. Базы данных. Типологии интегральных микросхем», 200S, № 2 (II ч.).
19. Теоретическое и экспериментальное исследование тепловых режимов элементов ограждающих конструкций из клееного деревянного бруса с утепляющими вставками / Н.А. Цветков, А.В. Колесникова, Н.А. Черкащина [и др.] // Инновационные технологии в науке и образовании. Современное производство, техника и технологии; сб. тр. м/н на-уч.-практ. конф. 16-1S сентября 2011 г. / БГУ. - Улан-Удэ і Изд-во БГУ, 2011. - С. 30-36.
20. Конструкции деревянные клееные несущие с термовкладышем! технические условия 5366-060-00SS4306-2009 / [разработчики] Н.А. Цветков, А.Н. Хуторной, С. А. Лукьян-чиков, А.Г. Козырев, И.А. Лесняк. - Введ. 15.01.2009 без ограничения срока действия. -Томск, 2009. - ОС «Томскстройсертификация» ТГАСУ.
