CC BY
30
ВЕСТНИК е(-п, л
5/2014
ТЕХНОЛОГИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ. МЕХАНИЗМЫ И ОБОРУДОВАНИЕ
УДК 697.1+536.2.083
А.Д. Жуков, И.В. Бессонов*, А.Н. Сапелин*, Е.Ю. Боброва**
ФГБОУВПО «МГСУ»,*НИИСФ РААСН, **ФГБОУВПО «НИУВШЭ»
ТЕПЛОЗАЩИТНЫЕ КАЧЕСТВА СТЕН
При оценке теплозащиты стен даже глубокий и подробный расчет может вызвать отклонение значений от реальных данных. Рассмотрены новые подходы к оценке теплозащитных качеств. Предложена установка и методика точного измерения теплозащитных качеств единичных блоков и фрагментов стен и конструкций.
Ключевые слова: теплоизоляция, теплозащита, измерение теплопроводности, стеновые конструкции, строительные материалы, климатическая камера.
Теплозащитные качества строительных конструкций определяются свойствами используемых материалов, корректными проектными решениями и качественно выполненными строительно-монтажными работами [1—3]. Это правило касается как конструкций, выполненных по близкой по своим свойствам структуре и природе материалам, так и разнородным, объединяемым строительной системой того или иного типа [4, 5].
Необходимость измерять теплопроводность важна как для изделия, так и для конструкции. В настоящее время теплопроводность конструкции оценивают следующими методами: измерение теплопроводности каждого отдельного компонента с последующим расчетом, либо измерение теплопроводности в климатической камере (ГОСТ 26254—84 (1994)1).
Расчетный метод основывается на ряде допущений, которые могут вызвать значительную погрешность определения теплопроводности. На практическом опыте многих авторов подтверждается [6—9], что даже глубокий и подробный расчет может вызвать отклонение значений от реальных данных. Также в области расчета допускается подгонка теории под измерение, выраженная эмпирическими, а не теоритическими формулами. Наиболее точные результаты расчета получаются при применении метода конечных разностей, при этом, чем на более мелкие фрагменты разбивается конструкция, тем точнее конечный результат [10, 11].
Измерение теплопроводности в климатической камере согласно ГОСТ 26254—84 (1994) также может обладать рядом недостатков [12]. При рассмотрении измерения теплопроводности для кладки крупноформатного кирпича могут наблюдаться следующие факторы, вносящие погрешность в измерения коэффициента теплопроводности:
1 ГОСТ 26254—84 (1994). Здания и сооружения. Методы определения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций. М. : Стандартинформ, 1994. 27 с.
большая погрешность датчиков теплового потока (самые совершенные датчики теплового потока на 2013 г. имеют погрешность 5 %);
большая погрешность датчиков температуры, регламентируемая ГОСТом; неравномерность распределения влажности в материале, так, в зоне измерения теплового потока датчиком может быть одна влажность, а в зоне замера (выдалбливание шлямбуром) — другая.
Следует также отметить практическую невозможность в большинстве случаев измерения теплопроводности в сухом состоянии, а также то, что теплопроводность в условиях эксплуатации А и Б высчитывается исходя из теплопроводности при других влажностях. Также ГОСТ 26254—84 (1994) не подразумевает обязательное измерение сорбционной кривой для материалов, что в некоторых случаях, особенно при применении новых материалов, может давать существенную ошибку эксперимента по измерению теплопроводности. Эксперимент в климатической камере в среднем занимает 2 месяца, что может сказаться на мобильности принятия решения по той или иной конструкции [13].
Также в настоящее время не представляется возможным определить коэффициент теплопроводности крупноформатного изделия вне кладки, что важно непосредственно для производителя изделия, так как его интересует, прежде всего, свой продукт, а лишь потом его взаимодействие с другими продуктами [14, 15]. Если производитель будет уверен в качестве своей продукции, то он сможет придумать более рациональное применение своего материала в конструкции здания. Оценка теплопроводности элементов кладки, в частности крупноформатного камня, позволит более точно рассчитывать теплопроводность всей конструкции.
Сложившаяся ситуация обусловливает необходимость создания установки для точного измерения теплопроводности конструкции, а также для измерения теплопроводности единичных блоков. В качестве принципиальной модели установки по из-мереиию теплопроводности предложена модель, приведенная на рис. 1.
Принципиальная схема измерения теплового потока основывается на измерении мощности нагревателя, необходимой для поддержания температуры на поверхности образца, с температурной изоляцией нагревателя с 5-ти сторон (рис. 2). Такая схема дает на порядок меньшую погрешность в сравнении с датчиком теплового потока.
Рис. 1. Принципиальная модель установки по измерению теплопроводности: 1 — холодная пластина; 2 — горячая пластина; 3 — фрагмент кладки или элемент кладки
Рис. 2. Схема измерения теплового потока посредством измерения мощности:
1 — измерительная пластина; 2 — теплоизоляция; 3 — охранное нагревательное кольцо; 4 — образец; 5 — холодильник
ВЕСТНИК
МГСУ-
5/2014
Для начала была проанализирована простая схема с нагревателем, холодильником, теплоизоляцией и образцом, без вторичных деталей. Потом написана программа, определяющая температурное поле, тепловые потоки и прочее, основанная на методе конечных разностей. Было выявлено, что основная погрешность будет вноситься боковыми теплопритоками, из-за чего исказится температурное поле в образце (рис. 3).
Рис. 3. Температурное поле в образце при температуре наружного воздуха +20 °С: а — при отсутствии теплоизоляции; б, в, г, — при ширине теплоизоляции 100, 200, 400
Погрешность определения теплопроводности определялась следующим образом: моделировался реальный эксперимент, для этого брались температуры на плоскостях образца и тепловой поток от плоскости к нагревателю (либо холодильнику), тем самым моделировались цифры, которые увидит лаборант, и по которым он будет считать теплопроводность. Исходя из разницы температур на холодной и горячей стороне и теплового потока высчитывалась теплопроводность, далее она сравнивалась с истинной (заданной) теплопроводностью образца и находилась погрешность, %.
Выявлено, что датчик теплового потока при температуре воздуха в помещении выше средней температуры в образце рациональней располагать на теплой стороне, так как при этом погрешность будет меньше. Далее был произведен более детальный расчет параметров установки (рис. 4) по определению теплопроводности.
У 5 8
2 4'\ Г
Д...........
Рис. 4. Параметры установки для определения теплопроводности стеновых конструкций
В расчетной модели были учтены следующие величины: 1 — длина образца; 2 — длина теплоизоляции 2; 3 — ширина теплоизоляции 2; 4 — толщи-
на подкладки; 5 — ширина теплоизоляции 1; 6 — охранный зазор (ширина); 7 — охранный зазор (длина); 8 — ширина образца; температура измерительной теплой пластины, температура охранной теплой пластины, температура холодной пластины, температура окружающего воздуха, теплопроводность образца, теплопроводность теплоизоляции, теплопроводность подкладки.
Базовые значения фиксировались: длина образца (510 мм); ширина образца (219 мм); температура измерительной теплой пластины (20,0 °С); температура охранной теплой пластины (20,1 °С); температура холодной пластины (-30 °С); теплопроводность образца (0,2 Вт/(м-К)); теплопроводность теплоизоляции (0,025 Вт/(м-К)); теплопроводность подкладки (1,2 Вт/(м-К)); толщина подкладки (2 мм).
По результату многократных повторений эксперимента были выявлены значения величин, при которых погрешность измерения теплопроводности фрагмента конструкции будет минимальной. Оптимальная ширина теплоизоляции 1 должна составлять 600 мм, а ширина теплоизоляции 2 — 10 мм. Ширина и длина охранного зазора должна составлять 30 мм; длина теплоизоляции 2.. .50 мм. Температура окружающего воздуха -5 °С. Смоделированный при таких условиях эксперимент с погрешностью 0,62 %.
Следует отметить, что погрешность значительно снижается при выполнении следующих условий. Во-первых, при уменьшении разницы температур между измерительной и охранной пластинами. Во-вторых, при увеличении теплопроводности и уменьшении толщины подкладки (значения для расчета выбраны исходя из найденных эластичных теплопроводных подкладок (значение по теплопроводности) и из соображений разумности (так при меньшей толщине подкладки возможны зазоры, а, следовательно, неплотность прилегания образца к пластине). В-третьих, при уменьшении длины и увеличении ширины образца.
Были построены зависимости погрешности измерения от изменения различных параметров. При этом остальные параметры фиксировались на значениях, представленных выше. Зависимость погрешности от толщины подкладки — линейная, а от ширины охранного зазора представлена на рис. 5.
2Л 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Охранный зазор, мм
Рис. 5. Зависимость погрешности от охранного зазора
ВЕСТНИК e(-n, л
5/2014
Выводы. При изменении ширины теплоизоляции 2 от 0 до 33 мм погрешность изменяется от 0,62 до 0,64 %. При изменении охранного зазора (ширины теплоизоляции 1) от 10 до 80 мм погрешность изменяется от 1,5 до -1,0 %. При изменении ширины теплоизоляции 1 от 400 до 1000 мм погрешность изменяется от 0,25 до 0,68 %, а от 1000 до 2000 мм — от 0,68 до 0,70 %. При изменении толщины подкладки от 1 до 5 мм погрешность изменяется от 0,15 до 2,15 %.
Обоснование возможности измерения теплопроводности фрагментов стены позволяет проводить исследования непосредственно в «ролевых» условиях. Погрешность измерения без учета погрешности датчиков колеблется в районе 1 %. Общая погрешность определения теплопроводности с учетом погрешности датчиков и иных факторов составит не более 3 %. Этот уровень является очень высоким значением точности измерения теплопроводности для строительных материалов и конструкций.
Установка позволяет не только определять теплопроводность в сухом состоянии, но также и в состоянии эксплуатационного увлажнения (ввиду приемлемых размеров образца для испытания), которое может быть получено как искусственным увлажнением, так и вырезанием фрагмента из строительной конструкции посредством современных стенорезных машин.
Библиографический список
1. ЖуковА.Д., ЧугунковА.В. Фасадная система с использованием материалов ячеистой структуры // Вестник МГСУ 2012. № 5. С. 128—132.
2. Moore F. Rheology of Ceramic systems, Institute of Ceramics Textbook Series, Applied Science Publishers. 1965. 170 p.
3. Mechanochemical interaction of the kaolinite with the solid state acids / T.F. Grigorieva, I.A. Vorsina, A.P. Barinova, V V Boldyrev // XIII Int. Symp. on Reactivity of Solids. Hamburg. 1996. Abstracts. 132 p.
4. Thermal treatment of the mineral wool mat / A.D. Zhukov, T.V. Smirnova, D.B. Zelenshchikov, A.O. Khimich // Advanced Materials Research (Switzerland). 2014. Vols. 838—841. Рр. 196—200.
5. Worral W.E. Clays and Ceramic Raw Materials. University of Leeds, Great Britain. 1978. 277 p.
6. Гагарин В.Г. Макроэкономические аспекты обоснования энергосберегающих мероприятий при повышении теплозащиты ограждающих конструкций зданий // Строительные материалы. 2010. № 3. С. 8—16.
7. Гагарин В.Г., Козлов В.В. Теоретические предпосылки расчета приведенного сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций // Строительные материалы. 2010. № 12. С. 4—12.
8. Pedersen Т. Experience with Selee open pore foam structure as a filter in aluminium continuous rod casting and rolling // Wire Journal. 1979. Vol. 12. No. 6. Pp. 74—77.
9. Румянцев Б.М., Жуков А.Д., Смирнова Т.В. Теплопроводность высокопористых материалов // Вестник МГСУ 2012. № 3. С.108—114.
10. Сапелин А.Н., Бессонов И.В. Коэффициенты структуры как критерий оценки теплотехнического качества строительных материалов // Строительные материалы. 2012. № 6. С. 26—28.
11. Сапелин А.Н. Сорбционные свойства стеновых материалов с применением микросфер // ACADEMIA. Архитектура и строительство. 2013. № 3. С. 101—104.
12. Vos B., Boekwijt W. Ausfüllung des Hohlraumes in bestehengen hohlmauern // Gesundheits-Ingenier. 1974. No. 4. Pp. 36—40.
13. Умнякова Н.М. Долговечность трехслойных стен с облицовкой из кирпича с высоким уровнем тепловой защиты // Вестник МГСУ 2013. № 1. С. 94—100.
14. Hall C.A. Introduction to Special Issue on New Studies in EROI (Energy Return on Investment). Sustainability. 2011. 3(10). Pp. 1773—1777. Режим доступа: www.mdpi. com/2071-1050/3/10/1773.
15. Малахова А.Н., Балакшин А.С. Применение стеновых мелких блоков из ячеистых бетонов в несущих стенах зданий средней этажности // Вестник МГСУ 2013. № 1. С. 87—93.
Поступила в редакцию в январе 2014 г.
Об авторах: Жуков Алексей Дмитриевич — кандидат технических наук, профессор кафедры технологии композиционных материалов и прикладной химии, Московский государственный строительный университет (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, 8 (499) 781-99-98, lj211@yandex.ru;
Бессонов Игорь Вячеславович — кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник, руководитель исполнительного центра «Стройфизика-тест», Научно-исследовательский институт строительной физики Российской академии архитектуры и строительных наук (НИИСФ РААСН), 127238, г. Москва, Локомотивный проезд, д. 21, 8 (495) 482-40-76, bessonoviv@mail.ru;
Сапелин Андрей Николаевич — аспирант, Научно-исследовательский институт строительной физики Российской академии архитектуры и строительных наук (НИИСФ РААСН), 127238, г. Москва, Локомотивный проезд, д. 21, sapelinan@mail.ru;
Боброва Екатерина Юрьевна — кандидат экономических наук, директор центра малоэтажного строительства, Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики» (ФГБОУ ВПО «НИУ ВШЭ»), 101000, г. Москва, ул. Мясницкая, д. 20; докторант кафедры технологии композиционных материалов и прикладной химии, Московский государственный строительный университет (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, mla-gasis@mail.ru.
Для цитирования: Теплозащитные качества стен / А.Д. Жуков, И.В. Бессонов, А.Н. Сапелин, Е.Ю. Боброва // Вестник МГСУ 2014. № 5. С. 70—77.
A.D. Zhukov, I.V. Bessonov, A.N. Sapelin, E.Yu. Bobrova
THERMAL INSULATION PROPERTIES OF WALLS
Heat-protective qualities of building structures are determined by the qualities of the used materials, adequate design solutions and construction and installation work of high quality. This rule refers both to the structures made of materials similar in their structure and nature and mixed, combined by a construction system. The necessity to ecaluate thermal conductivity is important for a product and for a construction.
Methods for evaluating the thermal protection of walls are based on the methods of calculation, on full-scale tests in a laboratory or on objects. At the same time there is a reason to believe that even deep and detailed calculation may cause deviation of the values from real data. Using finite difference method can improve accuracy of the results, but it doesn't solve all problems. The article discusses new approaches to evaluating thermal insulation properties of walls. The authors propose technique of accurate measurement of thermal insulation properties in single blocks and fragments of walls and structures.
ВЕСТНИК e(-n, л
5/2014
Key words: thermal insulation, thermal protection, thermal conductivity evaluation, wall structures, construction materials, climatic chamber.
References
1. Zhukov A.D., Chugunkov A.V. Fasadnaya sistema s ispol'zovaniem materialov ya-cheistoy struktury [Facade System Made of Porous Materials]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 5, pp. 128—132.
2. Moore F. Rheology of Ceramic Systems. Institute of Ceramics Textbook Series, Applied Science Publishers, 1965, 170 p.
3. Grigorieva T.F., Vorsina I.A., Barinova A.P., Boldyrev V.V. Mechanochemical Interaction of the Kaolinite with the Solid State Acids. XIII Int. Symp. on Reactivity of Solids, Hamburg, 1996, Abstracts, 132 p.
4. Zhukov A.D., Smirnova T.V., Zelenshchikov D.B., Khimich A.O. Thermal Treatment of the Mineral Wool Mat. Advanced Materials Research (Switzerland). 2014, vols. 838—841, pp. 196—200.
5. Worral W.E. Clays and Ceramic Raw Materials. University of Leeds, Great Britain. 1978, 277 p.
6. Gagarin V.G. Makroekonomicheskie aspekty obosnovaniya energosberegayushchikh meropriyatiy pri povyshenii teplozashchity ograzhdayushchikh konstruktsiy zdaniy [Macroeco-nomic Aspects of the Substantiation of Energy Saving Measures by Increasing the Thermal Protection of Enclosing Structures of Buildings]. Stroitel'nye materialy [Construction Materials], 2010, no. 3, pp. 8—16.
7. Gagarin V.G., Kozlov V.V. Teoreticheskie predposylki rascheta privedennogo soprotiv-leniya teploperedache ograzhdayushchikh konstruktsiy [Theoretical Background for Calculation of Reduced Resistance to Heat Transfer of Enclosing Structures]. Stroitel'nye materialy [Construction Materials], 2010, no. 12, pp. 4—12.
8. Pedersen T. Experience with Selee Open Pore Foam Structure as a Filter in Aluminium Continuous Rod Casting and Rolling. Wire Journal. 1979, vol. 12, no. 6, pp. 74—77.
9. Rumyantsev B.M., Zhukov A.D., Smirnova T.Yu. Teploprovodnost' vysokoporistykh materialov [Thermal Conductivity of Highly Porous Materials]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 3, pp. 108—114
10. Sapelin A.N., Bessonov I.V. Koeffitsienty struktury kak kriteriy otsenki teplotekh-nicheskogo kachestva stroitel'nykh materialov [Pattern Coefficients as a Criterion for Assessing Thermal Performance of Construction Materials]. Stroitel'nye materialy [Construction Materials]. 2012, no. 6, pp. 26—28.
11. Sapelin A.N. Sorbtsionnye svoystva stenovykh materialov s primeneniem mikros-fer [Sorptive Properties of Wall Materials Using Microspheres]. ACADEMIA, Arkhitektura i stroitel'stvo [Academia. Architecture and construction]. 2013, no. 3, pp. 101—104.
12. Vos B., Boekwijt W. Ausfüllung des Hohlraumes in bestehengen hohlmauern. Ge-sundheits-Ingenier. 1974, no. 4, pp. 36—40.
13. Umnyakova N.P. Dolgovechnost' trekhsloynykh sten s oblitsovkoy iz kirpicha s vyso-kim urovnem teplovoy zashchity [Durability of Three-layered Walls with Brick Facing That Provides High Thermal Protection]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 1, pp. 94—100.
14. Hall C.A. Introduction to Special Issue on New Studies in EROI (Energy Return on Investment). Sustainability. 2011, 3(10), pp. 1773—1777. Available at: www.mdpi.com/2071-1050/3/10/1773. DOI: 10.3390/su3101773.
15. Malakhova A.N., Balakshin A.S. Primenenie stenovykh melkikh blokov iz yacheistykh betonov v nesushchikh stenakh zdaniy sredney etazhnosti [Using Small Cellular Concrete Blocks to Make Bearing Walls of Mid-rise Buildings]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 1, pp. 87—93.
About the authors: Zhukov Aleksey Dmitrievich — Candidate of Technical Sciences, Professor, Department of Composite Materials Technology and Applied Chemistry, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; +7 (499) 781-99-98; lj211@yandex.ru;
Bessonov Igor' Vyacheslavovich — Candidate of Technical Sciences, leading research worker, head, Executive Center "Stroyfizika-test", Scientific and Research Institute of Construction Physics of the Russian Academy of Architecture and Construction Sciences (NIISF RAASN), 21 Lokomotivnyy proezd, Moscow, 127238, Russian Federation; +7 (495) 482-40-76; bessonoviv@mail.ru;
Sapelin Andrey Nikolaevich — postgraduate student, Scientific and Research Institute of Construction Physics of the Russian Academy of Architecture and Construction Sciences (NIISF RAASN), 21 Lokomotivnyy proezd, Moscow, 127238, Russian Federation; sapelinan@mail.ru;
Bobrova Ekaterina Yur'evna — Candidate of Economic Sciences, director, Center for Low-rise Construction, Higher School of Economics (HSE), 20 Myasnitskaya str., 101000, Moscow, Russian Federation; doctoral student, Department of Composite Materials Technology and Applied Chemistry, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; mlagasis@mail.ru.
For citation: Zhukov A.D., Bessonov I.V., Sapelin A.N., Bobrova E.Yu. Teplozashchitnye kachestva sten [Thermal Insulation Properties of Walls]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2014, no. 5, pp. 70—77.
