ПАНЕЛЬ ДЛЯ ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ СТЕН ЗДАНИЯ
PANEL FOR ADDITIONAL HEAT INSULATION OF WALLS OF BUILDINGS

Изобретение относится к области разработки конструкций дополнительной теплоизоляции стен при строительстве и ремонте зданий, предназначенных для уменьшения поступления теплоты из помещения в толщу стены при установке теплоизоляционных панелей внутри помещения или для защиты стен от воздействия неблагоприятных атмосферных процессов при установке панелей с внешней стороны здания.
Известна панель для дополнительной теплоизоляции стен (см. патент РФ № 2466247, МПК Е04В 1/80, опубл. 10.11.2012), содержащая листы, образующие лицевую и тыльную плоскости панели, с воздушной прослойкой между ними, при этом конструктивные элементы панели выполнены из материалов, не поддерживающих горение и имеющих низкую теплопроводность, выбранных из группы «полиуретановый поропласт» для тыльной плоскости, жесткий пенополиуретан с замкнутоячеистой структурой  - для разграничителей, пенополистирол, древесноволокнистые плиты, листы сухой штукатурки - для лицевой плоскости, при этом каждый из разграничителей, обеспечивающих сохранение минимальной постоянной толщины воздушной прослойки, а также возможность многократного снятия и установки всей панели или только ее лицевой плоскости, выполнен в виде соединенных в единую конструктивную деталь по меньшей мере четырех ячеек, имеющих в центральной части, где сходятся ребра жесткости ячеек, канал для ввода крепежной детали, предназначенной для прикрепления лицевой плоскости к разграничителю, а ребра жесткости каждого из разграничителей утоплены в массу пластичного материала, из которого формируют лист, образующий тыльную плоскость панели, до начала его затвердевания, в результате чего получают прочное соединение каждого разграничителя с тыльной плоскостью панели, выполненной с возможностью прикрепления к стене с использованием крепежных деталей, причем листы панели конструктивно сгруппированы пакетами по восемь штук с жестким соединением между собой тыльной и лицевой плоскостями и девятым в центре, который имеет возможность горизонтального перемещения относительно стены за счет присоединения к его лицевой поверхности вибратора с приводом и регулятором скорости перемещения, регулятора температуры, соединенного с датчиком температуры воздуха, расположенным внутри панели, при этом регулятор температуры включает блоки сравнения и задания, электронный и магнитный усилители, блок нелинейной обратной связи, а регулятор скорости перемещения выполнен в виде блока порошковых электромагнитных муфт, причем крепежная деталь выполнена в виде стержня с двухсторонним резьбовым соединением, кроме того, одним концом стержень жестко соединен с крепежным каналом в центральной части разграничителя, а другим концом соединен с лицевой плоскостью каждого листа панели как с возможностью свободного соединения, так и жесткого соединения, причем на тыльной плоскости листов панели, конструктивно сгруппированных по восемь штук, выполнены криволинейные канавки с противоположным направлением касательных на каждой паре листов панели, при этом на первом листе пары касательная криволинейной канавки имеет направление по ходу часовой стрелки, а на втором листе данной пары панели касательная криволинейной канавки имеет направление против хода часовой стрелки.
Недостатком является снижение прочностных параметров наружных ограждающих конструкций и панелей из-за образования капельной и пленочной конденсирующейся влаги на поверхности стены и в местах крепления тыльной поверхности панели при различных степенях насыщения воздуха, перемещающегося в воздушной прослойке, мелкодисперсной каплеобразной и парообразной влагой, постоянно находящейся в атмосферном воздухе, который используется в виде вентилируемого потока.
Известна панель для дополнительной теплоизоляции стен (см. патент РФ №2550711, МПК Е04С 2/00, Е 04 В 1/80, опубл. 10.05.2015 г. Бюл. №13), содержащая листы, образующие лицевую и тыльную плоскости панели с воздушной прослойкой между ними, причем конструктивные элементы панели выполнены из материалов, не поддерживающих горение, имеющих низкую теплопроводность и выбранных из группы «полиуретановый поропласт» для тыльной плоскости, жесткий пенополиуретан с замкнутоячеистой структурой - для разграничителей, пенополистирол, древесноволокнистые плиты, листы сухой штукатурки - для лицевой плоскости, при этом каждый из разграничителей, обеспечивающих сохранение минимальной постоянной толщины воздушной прослойки, а также возможность многократного снятия и установки всей панели или только ее лицевой плоскости, выполнен в виде соединенных в единую конструктивную деталь по меньшей мере четырех ячеек, имеющих в центральной части, где сходятся ребра жесткости ячеек, канал для ввода крепежной детали, предназначенной для прикрепления лицевой плоскости к разграничителю, а ребра жесткости каждого из разграничителей утоплены в массу пластичного материала, из которого формируют лист, образующий тыльную плоскость панели, до начала его затвердевания, в результате чего получается прочное соединение каждого разграничителя с тыльной плоскостью панели, выполненной с возможностью прикрепления к стене с использованием крепежных деталей, при этом листы панели конструктивно сгруппированы пакетами по восемь штук с жестким соединением между собой тыльной и лицевой плоскостями и девятым в центре, который имеет возможность горизонтального перемещения относительно стены, за счет присоединения к его лицевой поверхности вибратора с приводом и регулятором скорости перемещения, регулятора температуры, соединенного с датчиком температуры воздуха, расположенным внутри панели, при этом регулятор температуры включает блоки сравнения и задания, электронный и магнитный усилители, блок нелинейной обратной связи, а регулятор скорости перемещения выполнен в виде блока порошковых электромагнитных муфт, причем крепежная деталь выполнена в виде стержня с двухсторонним резьбовым соединением, кроме того, одним концом стержень жестко соединен с крепежным каналом в центральной части разграничителя, а другим концом соединен с лицевой плоскостью каждого листа панели как с возможностью свободного горизонтального перемещения посредством гибких связей, так и жесткого соединения, при этом внутри панели на лицевой плоскости листа свободного горизонтального перемещения расположен вибратор, кроме того, на тыльной плоскости листов панели, конструктивно сгруппированных по восемь штук, выполнены криволинейные канавки с противоположным направлением касательной на каждой рядом расположенной паре листов панели, при этом на первом листе пары касательная криволинейной канавки имеет направление по ходу часовой стрелки, а на втором листе данной пары панели касательная криволинейной канавки имеет направление против хода часовой стрелки, причем регулятор скорости перемещения соединен с регулятором влажности, включающим датчик влажности, расположенный внутри панели, причем регулятор влажности включает блоки задания и блок сравнения, электронный и магнитный усилители, блок нелинейной обратной связи, кроме того, магнитный усилитель связан с регулятором перемещения в виде блока порошковых электромагнитных муфт, а датчик влажности соединен с блоком сравнения.
Недостатком являются энергозатраты, обусловленные необходимостью подачи энергии из электрических сетей на электродвигатель привода вибратора и сложностью монтажа электрических проводов в воздушной прослойке.
Технической задачей предлагаемого изобретения является снижение энергозатрат при эксплуатации панели для дополнительной теплоизоляции путем устранения подачи энергии из электрических сетей на электродвигатель привода вибратора и использовании в качестве источника энергии термо-ЭДС, вырабатываемую комплектом дифференциальных термопар, «горячие» и «холодные» концы которых расположены на внутренних и внешних поверхностях лицевой плоскости панели.
Технический результат достигается тем, что панель для дополнительной теплоизоляции стен содержит листы, образующие лицевую и тыльную плоскости панели, с воздушной прослойкой между ними, при этом конструктивные элементы панели выполнены из материалов, не поддерживающих горения и имеющих низкую теплопроводность, выбранных из группы полиуретановый поропласт для тыльной плоскости, жесткий пенополиуретан с замкнутоячеистой структурой для разграничителей, пенополистирол, древесноволокнистые плиты, листы сухой штукатурки для лицевой плоскости, каждый из разграничителей, обеспечивающих сохранение минимальной постоянной толщины воздушной прослойки, а также возможность многократного снятия и установки всей панели или только ее лицевой плоскости, выполнен в виде соединенных в единую конструктивную деталь по меньшей мере четырех ячеек, имеющих в центральной части, где сходятся ребра жесткости ячеек, канал для ввода крепежной детали, предназначенной для прикрепления лицевой плоскости к разграничителю, а ребра жесткости каждого из разграничителей утоплены в массу пластичного материала, из которого формируют лист, образующий тыльную плоскость панели, до начала его затвердевания, в результате чего получают прочное соединение каждого разграничителя с тыльной плоскостью панели, выполненной с возможностью прикрепления к стене с использованием крепежных деталей, причем листы панели конструктивно сгруппированы пакетами по восемь штук с жестким соединением между собой тыльной и лицевой плоскостями и девятым в центре, который имеет возможность горизонтального перемещения относительно стены за счет присоединения к его лицевой поверхности вибратора с приводом и регулятором скорости перемещения, регулятора температуры, соединенного с датчиком температуры воздуха, расположенным внутри панели, при этом регулятор температуры включает блоки сравнения и задания, электронный и магнитный усилители, блок нелинейной обратной связи, а регулятор скорости перемещения выполнен в виде блока порошковых электромагнитных муфт, причем крепежная деталь выполнена в виде стержня с двухсторонним резьбовым соединением, кроме того, одним концом стержень жестко соединен с крепежным каналом в центральной части разграничителя, а другим концом соединен с лицевой плоскостью каждого листа панели как с возможностью свободного соединения, так и жесткого соединения, причем на тыльной плоскости листов панели, конструктивно сгруппированных по восемь штук, выполнены криволинейные канавки с противоположным направлением касательных на каждой паре листов панели, при этом на первом листе пары касательная криволинейной канавки имеет направление по ходу часовой стрелки, а на втором листе данной пары панели касательная криволинейной канавки имеет направление против хода часовой стрелки, при этом регулятор скорости перемещения соединен с регулятором влажности, включающим датчик влажности, расположенный внутри панели, причем регулятор влажности включает блоки задания, и сравнения, электронный и магнитный усилители, блок нелинейной обратной связи, кроме того, магнитный усилитель связан с регулятором перемещения в виде блока порошковых электромагнитных муфт, а датчик влажности соединен с блоком сравнения, при этом панель снабжена термоэлектрическим комплексом, включающим комплект дифференциальных термопар и привод вибратора в виде электродвигателя, энергетически соединенных между собой, причем «горячие» концы дифференциальных термопар расположены на внутренней поверхности лицевой плоскости панели, а «холодные» концы укреплены на ее внешней поверхности.
На фиг. 1 изображена принципиальная схема пакета из восьми листов панели для дополнительной теплоизоляции стены здания с девятым листом в центре, соединенным с вибратором, на фиг. 2 - вид А-А фиг. 1, на фиг. 3 - крепление центрального листа панели с вибратором и комплектом дифференциальных термопар, на фиг. 4 - тыльная сторона листов панели, конструктивно сгруппированных по восемь штук с криволинейными канавками противоположного направления движения касательной.
Конструкция для дополнительной теплоизоляции включает стену 1, панель 2 для дополнительной теплоизоляции, состоящую из лицевой 3 и тыльной 4 плоскостей, между которыми находится воздушная прослойка 5. Тыльная плоскость 4 крепится к стенке 1 известными способами, например прижатием к стене планками, через которые можно ввести в толщу стенки крепежные элементы меньшей длины, чем потребовалось бы в случае прикрепления к стенке собранной панели. Между тыльной 4 и лицевой 3 плоскостями размещены разграничители 6, предназначенные для сохранения минимального воздушного зазора постоянной величины, и представляющие собой ребра жесткости 7 с крепежным каналом 8. Листы 9 конструктивно между собой соединены в комплексы, из них восемь листов жестко соединенных с разграничителями 6, а лист 10 в центре имеет возможность горизонтального перемещения относительно стены 1.
Крепежная деталь 11 выполнена в виде стержня с двухсторонним резьбовым соединением, причем одним концом 12 стержень 11 жестко соединен с крепежным каналом 8 в центральной части разграничителя 6 и другим концом 13 соединен с лицевой плоскостью 3 каждого листа 10 панели 2 как с возможностью свободного горизонтального перемещения посредством гибких связей, например, пружины 14 и 15, так и жесткого соединения с лицевой плоскостью 3 листа 9, при этом внутри панели 2 на лицевой плоскости 3 листа 10 свободного горизонтального перемещения расположен вибратор 16.
На тыльной плоскости 4 листов 9 панели 2, конструктивно сгруппированных по восемь штук, выполнены криволинейные канавки 17 с противоположным направлением движения касательной на каждой рядом расположенной паре 18 листов 9 панели 2. При этом на первом 19 листе 9 пары 18 панели 2 касательная криволинейной канавки 17 имеет направление по ходу 20 часовой стрелки, а на втором 21 листе 9 данной пары 18 панели 2 касательная криволинейной канавки 17 имеет направление против хода 22 часовой стрелки (см., например, стр. 509, М.Я. Выгодский. Справочник по высшей математике. М., 1965. 872 с.). Вибратор 16 соединен с приводом 23 посредством регулятора скорости перемещения 24, связанным с регулятором температуры 25, при этом воздушная прослойка 5 посредством датчика температуры 26 соединена с регулятором температуры 25.
Регулятор температуры 25 включает блок задания 27 и блок сравнения 28, соединенный своим выходом с электронным усилителем 29, который связан с блоком нелинейной обратной связи 30. Выход электронного усилителя 29 соединен с входом магнитного усилителя 31, выход 32 которого воздействует на регулятор скорости перемещения 24, выполненный в виде блока порошковых электромагнитных муфт.
Регулятор скорости перемещения 24 связан также с регулятором влажности 33, соединенным с датчиком с датчиком влажности 34, который расположен в воздушной прослойке 5. Регулятор влажности 33 включает бок задания 35 и блок сравнения 36, который своим выходом соединен с блоком нелинейной обратной связи 38. Выход электронного усилителя 37 соединен с входом магнитного усилителя 39, который своим выходом 40 воздействует на регулятор скорости перемещения 24.
Панель 2 снабжена термоэлектрическим комплексом, включающим комплект дифференциальных термопар 41 и привод 23 с регулятором скорости перемещения 24 энергетически связанных между собой. «Горячие» концы 42 комплекта дифференциальных термопар 41 расположены на внутренней поверхности 43 лицевой 3 плоскости панели 2, а «холодные» концы 44 укреплены на внешней поверхности 45 лицевой 3 плоскости панели 2.
Теплообмен при эксплуатации панели для дополнительной теплоизоляции стен осуществляется следующим образом.
Передаваемая теплопроводностью теплота от внутреннего воздуха помещений через стенку 1 и тыльную плоскость 4 конвективно нагревает воздух в воздушной прослойке 5 и, соответственно, воздействует на расположенные на внутренней поверхности 43 лицевой 3 плоскости панели 2 комплекта дифференциальных термопар 41 термоэлектрического комплекса. Одновременно, «холодные» концы 44, укрепленные на внешней поверхности 45 лицевой 3 плоскости панели 2 комплекта дифференциальных термопар 41, контактируют с холодным воздухом окружающей среды. В результате контакта теплого (нагретого) воздушного потока, вентилируемого в воздушной прослойке 5 с «горячими» концами 42 и холодного воздуха окружающей среды с «холодными» концами 44 комплекта дифференциальных термопар 41 при использовании в качестве термопар, например хромель-копель, возникает термо-ЭДС до 6,96 мВ (см., например, Иванова Г.М. Теплотехнические измерения и приборы. М.: Энергоатомиздат. 1984 г. - 230 с., ил.). Это позволяет получить напряжение на выходе комплекта дифференциальных термопар 41 в пределах 12-36 В (см., например, Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент. Справочник /Под общ. ред. В.Н. Зоренко. М.: Энергоатомиздат. 1980 г. - 560 с., ил.), что вполне достаточно для питания электродвигателя вибропривода.
В результате достигается энергосберегающая эксплуатация панели для дополнительной теплоизоляции стен в связи с устранением отбора энергии из электрических сетей для работы привода вибратора.
При изменяющихся погодно-климатических условиях эксплуатации зданий с панелями для теплоизоляции наружных ограждений, особенно в осенне-зимний и зимнее-весенний периоды, когда наблюдается повышенное содержание как мелкодисперсной (дождь, туман, снег), так и парообразной влаги атмосферного или технологического происхождения, в воздушной прослойке между поверхностями как наружных ограждений, так и панелей, перемещается смесь, состоящая из воды разного фазового состояния и воздуха. Наличие указанной смеси не только ухудшает теплозащитные свойства воздушной прослойки, т.к. теплопроводность сухого воздуха 0,0244 Вт/(м·г), а теплопроводность воды 0,5514 Вт/(м·г), что в смеси приводит к возрастанию теплопроводности в 5÷10 раз в зависимости от соотношения сухого воздуха и мелкодисперсной сконденсировавшейся в процессе охлаждения влаги (см., например, с. 312. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача]: учеб. пособие для вузов. М.: Высш. школа, 1980. 469 с.). Следовательно, наряду с зависимостью от температуры окружающей среды, в полости панелей воздушный поток может изменять влагосодержание за счет атмосферных осадков, что требует контроля и регулирования концентрации влаги в потоке воздуха, перемещающегося в панелях для дополнительной теплоизоляции стен.
Нормированная скорость вибратора 16 определяется по условию минимизации на привод 23в зависимости от гостированных теплофизических параметров окружающей среды, например температуры 20°С и относительной влажности 55% без наличия погодных осадков, и определяет расход воздуха, обеспечивающего необходимую теплоизоляцию стен.
В этом случае тепломассообмен в воздушной прослойке панели 2 осуществляется следующим образом.
При наличии мелкодисперсной и парообразной влаги в атмосферном воздухе при размещении панели для дополнительной теплоизоляции с внешней стороны стены 1 здания, данная влагопаровоздушная смесь под действием свободной конвенции поступает в воздушную прослойку 5, где конденсирует ее влажная составляющая и в виде пленки конденсата стекает по наружной поверхности стены 1.
В результате не только резко снижаются теплоизоляционные свойства воздушной прослойки 5 (см., например, с.181-183, В.Н. Богословский. Строительная теплофизика. М., Стройиздат, 1980. 400 с., ил.), но и ухудшает надежностные эксплуатационные параметры стены 1 за счет ее увлажнения из-за образования застойных зон неподвижного воздуха в воздушных прослойках 5, что наблюдается при ламинарном движении вентилируемого воздуха за счет свободной конвенции.
Для устранения данного явления предлагается компоновка листов 9 панели 2, например, по девять штук, причем расположенный в центре лист 10 имеет возможность горизонтального перемещения на крепежной детали в виде стержня 11 под воздействием вибратора 16 (см., например, с. 10-27 Вибрационные машины и технологии / С.Ф. Яцун [и др.]. Изд. «Элм», 2006. 408 с.). В этом случае в воздушной прослойке 5 наблюдается пульсирующее перемещение атмосферного воздуха, находящегося между тыльной 4 и лицевой 3 плоскостями листа 10.
При повышении влажности воздуха окружающей среды, используемого в качестве перемещающегося потока в воздушной прослойке 5 панели 2, например, при наличии атмосферных осадков в виде дождя, тумана, снега или выбросов технологической влаги, датчик влажности 34 фиксирует это повышение и сигнал, поступающий в регулятор влажности 33, становится меньшим, чем сигнал блока задания, в результате чего и на выходе блока сравнения 36 появляется сигнал положительной полярности, который поступает на вход электронного усилителя 37 одновременно с сигналом нелинейной обратной связи блока 38.
Сигнал с выхода электронного усилителя 37 поступает на вход магнитного усилителя 39, где усиливается по мощности, выпрямляется и поступает через выход 40 на регулятор скорости перемещения 24 в виде блока порошковых электромагнитных муфт. Положительная полярность сигнала электронного усилителя 37 вызывает повышение тока на выходе возбуждения на выходе 40 магнитного усилителя 39 в результате чего увеличивается момент от привода 23 на вибратор 16, увеличивая массовое количество воздуха, перемещаемого в воздушной прослойке 5 панели 2.
В результате усиленный воздушный поток срывает налипающие на элементы панели каплеобразные частицы влаги, поступающей как с вентилируемым воздухом, так и конденсирующейся из пара по мере перемещения по тыльной плоскости 4 панели 2 у стены 1. Это в конечном итоге предотвращает увлажнение наружных строительных конструкций в целом. Возросший расход воздуха интенсифицирует прочес испарения влаги со снижением температуры в воздушной прослойке 5 (см., например, с. 257, Исаченко В.П. и др. Теплопередача. М.: Энергия, 1981. 417 с.).
При снижении температуры воздуха в воздушной прослойке 5 и соответственно повышении его плотности, что приводит к увеличению массового количества перемещаемого листом 10 воздуха, датчик температуры 26 фиксирует снижение температур воздуха относительно заданной по климатическим условиям эксплуатации здания (СНиП 2.04.05-91) и сигнал, поступающий в регулятор температур 25 становится большим, чем сигнал блока задания 27, и на выходе блока сравнения 28 появляется сигнал отрицательной полярности, который поступает на вход электронного усилителя 29 одновременно с сигналом нелинейной обратной связи блока 30.
Сигнал с выхода электронного усилителя 29 поступает на вход магнитного усилителя 31, где усиливается по мощности, выпрямляется и поступает через выход 32 на регулятор скорости перемещения 24 в виде блока порошковых электромагнитных муфт. Отрицательная полярность сигнала электронного усилителя 29 вызывает снижение тока возбуждения на выходе 32 магнитного усилителя 31, в результате уменьшается момент от привода 23 на вибратор 16, снижая массовое количество воздуха, перемещаемого в воздушной прослойке 5 панели 2.
Тем самым достигается снижение энергозатрат на привод 23 вибратора 16 при обеспечении по условиям нормированной теплоизоляции стен необходимого расхода пульсирующего перемещающегося в воздушной прослойке 5 атмосферного воздуха.
В результате образуются волны, поперечно перемещающиеся в воздушных полостях 5 листов 9, и возмущающий поток воздуха, перемещающийся по криволинейным канавкам 17 панели  2. Криволинейные канавки 17 выполнены на тыльной плоскости листов 9 таким образом, что воздушный пограничный слой потока атмосферного воздуха перемещается, например, на одном листе 9 пары 18 по ходу 20 часовой стрелки, а на втором 21 листе 9 данной пары 18 атмосферный воздух перемещается против хода 22 часовой стрелки.
Тогда на границе листа 9 и листа 10 образуется завихрение противоположного направления. Это приводит к микровзрывам, интенсифицирующим теплообмен атмосферного воздуха в воздушной прослойке (см., например, Меркулов, А.П. Вихревой эффект и его применение в промышленности. М., Машиностроение, 1979. 386 с.).
Кроме того, перемещение под действием свободной конвенции по соседним воздушным прослойкам 5 листов 9, которые скомпонованы рядом с листом 10, приводит к турбулизации пограничного слоя воздуха, контактирующего с тыльной 4 плоскостью панели 2 у стены 1, то есть ликвидируются застойные воздушные зоны, а это и ускоряет образование конденсатной пленки на поверхности стены 1.
Как следствие данного теплообмена, обеспечивается существенная экономия энергоресурсов, необходимых как для отопления помещений здания, покрытого панелью, скомпонованной из листов с жесткой и гибкой связями тыльной и лицевой поверхностями, так и для поддержания надежной эксплуатации строительных конструкций зданий путем устранения их увлажнения при изменяющемся погодно-климатическом воздействии.
Оригинальность предлагаемого изобретения заключается в том, что снижение энергозатрат, обусловленных работой вибратора, потребляющего дополнительную мощность на привод от внешнего источника, достигается путем выработки электрической энергии непосредственно в воздушной прослойке панели для дополнительной теплоизоляции стен за счет снабжения ее термоэлектрическим комплексом, включающим термогенератор, где теплота движущегося потока в воздушной прослойке преобразуется в термо-ЭДС.