Строительная панель
CONSTRUCTION PANEL

Изобретение относится к устройствам строительных панелей типа сэндвич, применяемых в промышленном и гражданском строительстве, а именно для изготовления наружных ограждающих конструкций стен, покрытий и полов, в том числе теплых полов.
Приоритетными областями применения изобретения являются быстровозводимые общественные, производственные и административно-бытовые здания и сооружения предприятий различных министерств и ведомств, расположенных в районах Арктики, в районах крайнего Севера и Дальнего Востока, в районах с вечномерзлыми грунтами и с низкой температурой наружного воздуха, а также в районах с умеренным климатом.
Общеизвестны строительные стеновые и напольные сэндвич-панели наружного теплозащитного ограждения здания или сооружения (стен, полов, покрытий), состоящие из наружной и внутренней обшивок, выполненных из алюминиевых или стальных профилированных листов, и размещенного между ними слоя утеплителя из пенопласта на основе полистирола, из минеральной ваты или из чередующихся слоев минеральной ваты и заливочного пенопласта (полиуретана). Между собой стеновые сэндвич-панели надежно соединяются специальным замком. Ширина панелей, выпускаемых промышленностью, составляет: от 1000 до 1200 мм. Толщина панелей: от 50 мм до 250 мм, длина - до 20 м.
Строительные сэндвич-панели обладают высокой прочностью и звукоизоляцией, малой массой, огнестойкостью, упрощают и ускоряют строительство.
Недостатком известного устройства строительных теплоизолирующих сэндвич панелей является принципиальная невозможность полностью исключить потери тепла через ограждающие конструкции, что приводит к большому потреблению энергоресурсов на отопление с одновременным выбросом тепловой энергии в окружающую среду.
Общеизвестны теплораспределительные пластины для водяного теплого пола ПЕНОЩИТ (https://santerm-ural.ru/p276298178-teploraspredelitelnye-plastiny-dlya.html), которые предназначены для применения в системах сухих теплых полов, без использования цементной стяжки. Недостатком этих пластин, изготавливаемых из оцинкованной стали или алюминия, является большая трудоемкость их монтажа на месте строительства и невозможность использовать их в строительстве быстровозводимых зданий.
Из уровня техники известна строительная сэндвич-панель, включающая два поверхностных слоя из металла и центральную часть, набранную из кусков минеральной ваты, составляющих продольные полосы, продольные оси кусков параллельны продольной оси панели, а ориентация волокон в кусках перпендикулярна плоскости поверхностных слоев, торцы кусков смещены продольно по отношению друг к другу, причем, между полосами из кусков минеральной ваты дополнительно введены продольные полосы из заливочного пенопласта, причем они введены последовательно между группами полос минеральной ваты, количество полос минеральной ваты в группе составляет от 1 до 4, при этом крайние полосы панели составлены из кусков минеральной ваты, а ширина полосы заливочного пенопласта составляет (1÷4) от ширины куска минеральной ваты, а длина полос составляет длину панели, патент RU 2004133195, строительная сэндвич-панель, опубликовано: 2006.04.20. МПК Е04С 2/24(2006.01), Е04С 2/292.
Данное изобретение по совокупности признаков является прототипом заявленного устройства тепловой изоляции зданий и сооружений.
Недостатком прототипа являются существенные теплопотери в окружающую среду.
Технической задачей предлагаемого устройства является устранение указанных недостатков, снижение трудоемкости строительства, повышения качества монтажа теплозащитного ограждения.
Решение поставленной технической задачи и достижение требуемого результата обеспечиваются тем, что в заявленном устройстве строительной панели наружного теплозащитного ограждения здания или сооружения (стен, полов, покрытий), включающей в себя наружную и внутреннюю обшивки, выполненные из алюминиевых или стальных профилированных листов, и размещенный между ними слой утеплителя из пенопласта на основе полистирола или из минеральной ваты,
между наружной обшивкой и слоем утеплителя размещены теплораспределительные пластины с уложенными в них трубами, содержащими хладоагент под давлением, и объединенными в герметичный контур с выходящими внутрь помещения патрубками для подсоединения к холодильной установке в качестве испарителя, а между внутренней обшивкой и слоем утеплителя размещены теплораспределительные пластины с уложенными в них трубами, содержащими хладоагент, и объединенными в герметичный контур с выходящими внутрь помещения патрубками для подсоединения к холодильной установке в качестве конденсатора, причем, патрубки труб для подсоединения к холодильной установке оснащены запорными кранами с заглушками, а трубы заполнены хладоагентом.
Техническим результатом предлагаемого устройства является сокращение сроков строительства и повышение качества монтажа теплозащитного ограждения здания или сооружения, снижение потерь тепла через ограждающие конструкции здания, снижение потребления энергоресурсов на отопление с одновременным снижением вредных выбросов в окружающую среду (тепловой энергии, углекислого газа, окислов азота).
Причиной целесообразности использования предлагаемого устройства тепловой изоляции зданий и сооружений в районах Арктики, в районах крайнего Севера и Дальнего Востока, в районах с вечномерзлыми грунтами и с низкой температурой наружного воздуха является потребность в снижении в этих районах сроков и трудоемкости строительства и уменьшении затрат энергоресурсов на отопление зданий и сооружений с одновременным снижением экологической нагрузки на окружающую среду в виде выбросов тепловой энергии и вредных веществ в соответствии с Государственной политикой РФ в Арктике на период до 2035 года.
Достоинствами заявленного устройства тепловой изоляции зданий и сооружений являются:
- снижение трудоемкости и сроков возведения зданий и сооружений,
- повышение качества и надежности устройства теплозащитного ограждения зданий и сооружений,
- снижение тепловых потерь зданий и сооружений через теплозащитные ограждения,
- снижение затрат энергоресурсов на отопление зданий и сооружений,
- снижение экологической нагрузки на окружающую среду,
- возможность эффективного применения в Арктической зоне и в районах с умеренным климатом.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется рисунками и примерами.
На рисунке 1 представлена схема предлагаемого устройства стеновой, кровельной или напольной сэндвич-панели «холодного» (не отапливаемого) пола, согласно которому между наружной обшивкой и слоем утеплителя сэндвич-панели размещены теплораспределительные пластины с уложенными в них трубами, содержащими хладоагент под давлением, и объединенными в герметичный контур с выходящими внутрь помещения патрубками для подсоединения к холодильной установке в качестве испарителя.
На рисунке 1 обозначены:
наружная 1 и внутренняя 3 обшивки, выполненные из алюминиевых или стальных профилированных листов, размещенный между ними слой 2 утеплителя из минеральной ваты, трубы 4, уложенные в теплораспределительные пластины 5, которые размещены между слоем утеплителя 2 и наружной обшивкой 1, запорные краны 6,7 для подключения труб 4 к холодильной установке в качестве испарителя.
Устройство работает следующим образом.
Во время отопительного сезона (холодный период года) в трубы 4 поступает через открытый запорный кран 6 парожидкостная смесь хладоагента с температурой кипения, равной или близкой температуре наружного воздуха. При температуре воздуха внутри здания +20°С и температуре наружного воздуха, например, минус 10°С, тепловой поток через сэндвич-панель пропорционален разности температур, в данном случае, равной 30°С. Большая часть этого теплового потока передается в процессе теплопередачи теплораспределительным пластинам 5 и трубам 4 и расходуется на кипение хладоагента, пары которого затем уносят поглощенную энергию в холодильную установку, и далее тепло передается из нее внутреннему воздуху отапливаемого помещения. Таким образом, тепло внутреннего воздуха, ушедшее сквозь сэндвич-панель, перехватывается трубами 4 и тепло-распределительными пластинами 5 и возвращается внутрь отапливаемого помещения с парами хладоагента, снижая тем самым тепловую нагрузку на систему отопления. В то же время наружная поверхность сэндвич-панели имеет температуру наружной обшивки 1, равную температуре наружного воздуха (минус 10°С), и по этой причине тепловой поток из здания наружу через поверхности, закрытые сэндвич-панелью, близок к нулю.
На рисунке 2 представлена схема предлагаемого устройства напольной сэндвич-панели для теплых (обогреваемых) полов, согласно которому:
- между наружной обшивкой и слоем утеплителя размещены теплораспределительные пластины с уложенными в них трубами, содержащими хладоагент под давлением, и объединенными в герметичный контур с выходящими внутрь помещения патрубками для подсоединения к холодильной установке в качестве испарителя,
- между внутренней обшивкой и слоем утеплителя размещены теплораспределительные пластины с уложенными в них трубами, содержащими хладоагент под давлением, и объединенными в герметичный контур с выходящими внутрь помещения патрубками для подсоединения к холодильной установке в качестве конденсатора.
На рисунке 2 обозначены:
наружная 1 и внутренняя 3 обшивки, выполненные из алюминиевых или стальных профилированных листов, размещенный между ними слой 2 утеплителя из минеральной ваты, а также:
- трубы 4, уложенные в теплораспределительные пластины 6, которые размещены между слоем утеплителя 2 и наружной обшивкой 1, запорные краны 10 и 11 (два крана) для подключения труб 4 к холодильной установке в качестве испарителя,
- трубы 5, уложенные в теплораспределительные пластины 7, которые размещены между слоем утеплителя 2 и внутренней обшивкой 3, запорные краны 8 и 9 (два крана) для подключения труб 5 к холодильной установке в качестве конденсатора.
Устройство работает следующим образом.
Во время отопительного сезона (холодный период года) в трубы 4 поступает через открытый запорный кран 10 парожидкостная смесь хладоагента с температурой кипения, равной или близкой температуре наружного воздуха. При температуре воздуха внутри здания +20°С и температуре наружного воздуха, например, минус 10°С, тепловой поток через сэндвич-панель пропорционален разности температур, в данном случае, равной 30°С. Большая часть этого теплового потока передается в процессе теплопередачи теплораспределительным пластинам 6 и трубам 4 и расходуется на кипение хладоагента, пары которого затем уносят поглощенную энергию в холодильную установку, и далее тепло передается от горячих паров хладоагента тепопотребителям.
Таким образом, тепло внутреннего воздуха, ушедшее сквозь сэндвич-панель, перехватывается трубами 4 и теплораспределительными пластинами 6 и возвращается внутрь отапливаемого помещения с парами хладоагента, снижая тем самым тепловую нагрузку на систему отопления. Пары хладоагента всасываются компрессором, сжимаются, поступают в трубы 5 через патрубок 8, нагревая их и теплораспределительные пластины 7 до температуры конденсации, которая превышает температуру внутреннего воздуха на несколько градусов (обычно, на 5-10°С). Горячие поверхности теплораспределительных пластин 7 и медных труб 5 обогревают теплый пол, но часть тепловой энергии уходит в сторону наружной обшивки 1, улавливается трубами 4 и теплораспределительными пластинами 6. Значительная часть тепловой энергии, проходящей сквозь сэндвич-панель от внутренней поверхности здания к наружной его поверхности, совершает многократно циркуляцию по контуру: компрессор - патрубок 8 - трубы 5 и теплораспределительные пластины 7 -теплоизоляционный слой сэндвич-панели 2 - трубы 4 и теплораспределительные пластины 6 - патрубок 11 - компрессор. На осуществление этого процесса требуется затрата электроэнергии на привод компрессора, который размещен внутри здания и выделяет внутри здания тепловой эквивалент потребляемой электроэнергии. Это тепло частично компенсируют потери тепла через те участки ограждения здания, которые не защищены предлагаемыми сэндвич-панелями, и другие виды теплопотерь. Такими участками являются: окна, ворота и двери, вентиляционное оборудование, теплопотери с хозяйственно-бытовыми сточными водами и др.
На рис. 3 показаны схема и соотношения тепловых потоков через ограждения быстровозводимого здания с применением стандартных и предлагаемых стеновых и напольных сэндвич-панелей на примере строительства быстровозводимого теплого склада. Характеристика объекта:
Количество этажей
1
Ширина, м
20
Длина, м
30
Высота, м
5
Тип кровли
Двухскатная
Ветровой район
2
Снеговой район
3
Сейсмичность
6
Полы
Отапливаемые, с проветриваемым подпольем
Стены
Сэндвич-панели
На рисунке 3 обозначены:
1 - стены и пол, выполненные с применением предлагаемых стеновых и напольных сэндвич-панелей, 2 - покрытие, выполненное с применением потолочных серийно выпускаемых промышленностью сэндвич-панелей, 3 - воздухонагреватель системы отопления, 4 - компрессорный агрегат, 5 - направление теплового потока через наружное ограждение: числитель - нормативные теплопотери при выключенном клмпрессоре, знаменатель - фактические теплопотери при включенной компрессоре.
Пример 1. Стеновая панель (рис. 1)
reg
В данном примере толщина слоя 2 тепловой изоляции стеновой панели определена в соответствии с СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий», и значение сопротивления теплопередаче сэндвич-панели равно: R=6,4 м2⋅°С/Вт. Допустим, что в непосредственной близости от здания или сооружения датчики температуры фиксируют отрицательную температуру наружного воздуха минус 10°С, в то время как внутренняя температура воздуха равна плюс 20°С. В этом случае в трубы 4 из холодильной установки через патрубок 6 поступает парожидкостная смесь хладоагента с температурой кипения минус 10°С. При этом тепловой поток сквозь слой минваты 2 соответствует нормативным требованиям, но все теплопотери передаются теплораспределительным пластинам 5 и медным трубам 4 и далее с парами хладоагента возвращаются через патрубок 7 внутрь здания. В данном примере температура наружного воздуха и температура на внешней обшивке 1 сэндвич-панели близки по величине, и по этой причине тепловой поток от здания в окружающую среду близок к 0.
Следовательно, теплообмен между окружающей средой и наружной обшивкой сэндвич-панели существенно снижен (температурный напор равен или близок к 0), что приводит к положительному эффекту:
- снижается трудоемкость строительства здания за счет использования для его наружного теплозащитного ограждения предлагаемых строительных стеновых и/или кровельных сэндвич-панелей,
- снижается расход энергии на отопление здания,
- снижается экологическая нагрузка на окружающую среду.
Примечание: при температурах наружного воздуха ниже нижней границы рабочего температурного диапазона холодильной установки ее выключают, а теплозащита здания характеризуется нормативными параметрами.
Пример 2. Напольная панель теплого пола (рис. 2)
reg
2
В данном примере толщина слоя 2 тепловой изоляции определена в соответствии с СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий», и значение сопротивления теплопередаче сэндвич-панели равно: R=6,4 м⋅°С/Вт.
Допустим, что в непосредственной близости от здания или сооружения датчики температуры фиксируют отрицательную температуру наружного воздуха минус 10°С, в то время как внутренняя температура воздуха равна плюс 20°С. В этом случае в трубы 4 из холодильной установки поступает парожидкостная смесь хладоагента с температурой кипения минус 10°С. При этом тепловой поток сквозь слой минваты 2 соответствует нормативным требованиям, но все теплопотери передаются теплораспределительным пластинам 6 и трубам 4 и далее с парами хладоагента через патрубок 11 возвращаются внутрь здания. В данном примере температура наружного воздуха и температура на внешней обшивке 1 сэндвич-панели близки по величине, и по этой причине тепловой поток от здания в окружающую среду близок к 0. Следовательно, теплообмен между окружающей средой и наружной обшивкой сэндвич-панели существенно снижен (температурный напор близок к 0).
Пары холодильного агента, выходящие из компрессора холодильной установки, направляются в трубы 5 и теплораспределительные пластины 7, где они конденсируются, отдавая тепло конденсации на тепловые потоки в двух направлениях: вверх, для обогрева теплых полов, и вниз, к холодным трубам 4 и распределительным пластинам 6 под воздействием разности температур. Температуру конденсации паров внутри труб 5 поддерживают на нормативном уровне для теплых полов с помощью регулятора давления конденсации согласно изобретению по заявке «Устройство системы отопления пола зданий и сооружений», рег. № 2021104090 от 18.02.2021 (вх. № 008902).
Пример 3. Схема тепловых потоков (рис. 3)
При выключенном компрессоре нормативную температуру внутреннего воздуха теплого склада поддерживают автоматически с помощью системы отопления с электрическим воздухонагревателем, снабженным регулятором мощности. Теплопотери в окружающую среду в этом случае равны 8 кВт, компенсация теплопотерь осуществляется за счет работы системы отопления с потребляемой мощностью 8 кВт.
При включенном компрессоре теплопотери в окружающую среду происходят только через покрытие и составляют 2,8 кВт, компенсация теплопотерь осуществляется за счет потребляемой компрессором электроэнергии, равной 2,35 кВт и системой отопления (с потребляемой мощностью 0,45 кВт).
Таким образом, включение компрессора приводит к снижению тепловых выбросов на 5,2 кВт (на 65%) и одновременно к снижению потребляемой мощности на отопление здания на 5,2 кВт (на 65%), а предлагаемое устройство строительных панелей позволяет применять их для строительства быстровозводимых зданий с высоким качеством и в минимальные сроки.