Нестационарный расчет тепловой защиты ограждающих конструкций зданий

соким коммерческим и общественным эффектом, но низкой вероятностью осуществления. Напротив, проект, где зависимость от изменения законодательной основы меньше, наделен высокой вероятностью реализации, но, как правило, требует больших затрат финансовых средств для его воплощения. А это сказывается на уменьшении уровня коммерческого и общественного эффекта проекта.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Петров М.Б. Методология организации региональной транспортной системы : дис. ... докт. техн. наук / М.Б. Петров ; МИИТ. М., 2004. 321 с.

2. Багинова В.В. Теоретико-концептуальные основы организации региональной транспортной системы (на примере Республики Бурятия) : дисс. . докт. техн. наук / В.В. Багинова ; МИИТ. М., 2004. 295 с.

3. Мамаев Э.А. Моделирование региональных транспортных систем в условиях конкуренции : дисс. ... докт. техн. наук / Э.А. Мамаев ; МИИТ. М., 2006. 348 с.

4. Концепция приграничного сотрудничества в Российской Федерации : утв. распоряж. Правительства РФ от 9 февр. 2001 г. № 196-р [Электронный ресурс] // Режим доступа: http://www.scrf.gov.ru/ documents/29.html (Дата обращения 08.02.2014).

5. Гончаренко С.С. Транспортная стратегия в Сибири и на Дальнем Востоке как фактор ускоренного эконо-

мического развития, национальной безопасности и укрепления геополитических позиций России // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2004. №. 3. С. 145-178.

6. Виленский П.Л., Лившиц В.Н., Смоляк С.А. Оценка эффективности инвестиционных проектов: Теория и практика : учеб. пособие . М. : Дело, 2004. 888 с.

7. Моисеев Н.Н. Математические задачи системного анализа : учеб. пособие / предисл. Г.Г. Малинецкого. М. : ЛИБРОКОМ, 2013. 532 с.

8. Научные исследования в сфере международных железнодорожных перевозок: оценка сдерживающих факторов и перспектив развития пограничной инфраструктуры на железнодорожных пунктах пропуска и разработка оптимальной схемы расположения транспортно-логистических центров : отчет по гос. контракту № 103-02.02-3 от 17 нояб. 2008 г. / Иркут. гос. ун-т путей сообщения.

9. Банщикова А.А. Совершенствование системы пропуска импортного груза через государственную границу // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2012 № 4 (36). С. 191-196.

10. Banshchikova A.A. Estimate of Expected Integral Commercial Effect of the Project for the Modernization Passes Import Cargo Between China - Russia // Scince, Techology and Higher Education : materials of the II international research and practice conference, Vol. II, Westwood, April 17th, 2013 / publishing office Accent Graphics communications - Westwood - Canada, 2013. P. 93-101.

УДК 699.86 Рубашкина Татьяна Ивановна,

к. т. н., доцент кафедры «Прикладная механика и инженерная графика», ЗабИЖТ, Иркутский государственный университет путей сообщения, тел. 89144682493, e-mail: rubashkina_tatyana@mail.ru

НЕСТАЦИОНАРНЫЙ РАСЧЕТ ТЕПЛОВОЙ ЗАЩИТЫ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ЗДАНИЙ

T. I. Rubashkina

NON-STATIONARY CALCULATION OF THERMAL PROTECTION WALL

CONSTRUCTIONS OF BUILDINGS

Аннотация. В статье рассмотрены вопросы об эффективности тепловой защиты наружных ограждающих конструкций зданий в эксплуатационных условиях. Действующие нормативные документы требуют повышения тепловой защиты наружных ограждений зданий в целях энергосбережения и обеспечения нормативного микроклимата внутри помещения. Повышение теплозащитных свойств стеновых ограждающих конструкций заключается в увеличении их сопротивления теплопередаче до нормативных значений, что достигается проектированием стен в трехслойных конструкциях с утеплителем в качестве среднего слоя. В строительной практике имеют место случаи замены проектных решений и возведения стен в однослойном варианте без утеплителя на основании недостаточной изученности долговечности и экологичности теплоизоляционных материалов. Предлагаются результаты нестационарного расчета тепловой защиты трехслойных и однослойных ограждающих конструкций (наружных стен) зданий, эксплуатируемых в климатических условиях Забайкальского края. Расчет выполнен с целью сравнения эффективности тепловой защиты наружных стен из силикатного кирпича, выполнен-

Современные технологии. Транспорт. Энергетика. Строительство. _Экономика и управление_

ш

ных в однослойном и трехслойном (с утеплителем в качестве среднего слоя) вариантах, в условиях эксплуатации зданий. На основе полученных результатов сделаны выводы о неэффективности тепловой защиты однослойных кирпичных ограждающих конструкций, подтвержденные результатами натурного тепловизионного обследования наружных стен эксплуатируемого в течение года жилого дома в п. Забайкальский. Показана необходимость моделирования нестационарных тепло-влажностных процессов, протекающих в ограждающих конструкциях зданий во время эксплуатации, в предпроектных исследованиях и на стадии проектирования.

Ключевые слова: тепловая защита, коэффициент теплопроводности, сопротивление теплопередаче, конденсат, нестационарный расчет.

Abstract. In the article the questions about the efficiency of a thermal protection of external walls of buildings in operating conditions are considered. Normative documents are required to improve thermal protection of external walls of buildings to save energy and ensure regulatory microclimate inside. Increasing the heat protective properties of external walls is to increase their resistance to heat transfer to the values, which is achieved by the design of the walls in sandwich constructions with insulation as a middle layer. The results of non-stationary calculation of thermal protection three-layer and single-layer wall constructions of buildings exploited in the climatic conditions of Zabaikalsky Krai are offered. The calculation is performed in order to compare the efficiency of a thermal protection of external walls of a silicate brick made in a single-layer and three-layer (with insulation as a middle layer) variations in operating conditions. On the basis of obtained results conclusions about the inefficiency of the thermal protection of single-layer brick walling confirmed by the results of thermoscopic survey of external walls of dwelling house operated during the year in the settlement Za-baikalsky conclusions are made. The necessity of modeling of non-stationary heat and moisture processes, occurring in the layer wall constructions of buildings during operation, in preliminary studies and design stage is shown.

Keywords: thermal protection, coefficient of thermal conductivity, heat transfer resistance, condensate, non-stationary calculation.

После принятия Госстроем России нормативных документов [1-3], содержащих повышенные требования к тепловой защите ограждающих конструкций зданий, застройщики стали активно применять трехслойные ограждения с внутренним слоем из эффективного утеплителя и наружным слоем из облицовочного кирпича. Это позволило обеспечить требуемое сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций, которое практически невозможно получить в однослойном варианте без снижения несущей способности конструкций.

Однако после ряда обрушений различных по площади фрагментов наружного внешнего слоя (из облицовочного кирпича) с «оголением» утеплителя на объектах, возведенных с использованием технологии многослойных ограждающих конструкций, в Московской области, был издан документ, запрещающий применение в строительстве подобных конструктивных решений на территории Московской области [4].

Причем причины обрушения отмечались в основном касающиеся нарушений технологии возведения ограждающих конструкций: отсутствие горизонтальных и вертикальных деформационных швов, отсутствие связей между наружной кладкой и внутренним слоем, неправильная установка утеплителя и т. п. Подобный документ был принять и в Татарстане [5].

В строительной практике по Забайкальскому краю в настоящее время преобладает строительство зданий из силикатного кирпича, что обусловлено наличием в крае ряда кирпичных заводов.

Исходя из требований сейсмобезопасности, стены зданий возводятся толщиной не менее 530 мм, преимущественно 770 мм, в однослойных (без утеплителя) и трехслойных (с утеплителем) конструкциях. В качестве утеплителей используются высокоэффективные материалы также местного производства - пенополистирол, пеноизол и базальтовые минераловатные плиты. Часто, чтобы предотвратить возможные негативные последствия применения эффективных утеплителей из-за распространенного мнения о недолговечности и неэкологичности последних, застройщики меняют проектные решения и вместо трехслойных ограждающих конструкций с внутренним слоем из эффективного утеплителя возводят здания с однослойными стенами из силикатного кирпича толщиной 770 мм.

С целью сравнения эффективности тепловой защиты трехслойных наружных ограждающих конструкций (стен) с эффективным утеплителем в качестве среднего слоя и однослойных (из силикатного кирпича) в эксплуатационных условиях климата Забайкальского края был произведен нестационарный тепловлажностный расчет по разработанной в [6-7] методике, учитывающий индивидуальные свойства материалов стеновой конструкции, особенности климата района строительства и условия эксплуатации зданий. Расчет был произведен в годичном цикле эксплуатации с шагом счета 30 минут. Параметры воздуха (температура и относительная влажность) внутри помещения были приняты нормативные по [2-3], параметры наружного воздуха - по климатическим

таблицам Забайкальского края [1]. В расчете рассмотрены два варианта.

Вариант 1. Ограждающая конструкция (стена) толщиной 0,77 м состоит из трех слоев: несущего толщиной 0,51 м - из силикатного кирпича плотностью 1800 кг/м3, теплопроводностью 0,76 Вт/(моС); теплоизоляционного толщиной 0,14 м - из минеральной (базальтовой) ваты плотностью 100 кг/м3, теплопроводностью 0,044 Вт/(моС) и декоративного толщиной 0,12 м - из силикатного кирпича. Для получения большего числа точек температуры (температурного поля) в сечении конструкции несущий слой в расчете условно разбит на три: 1 -й слой - 0,17 м; 2-й слой - 0,17 м; 3-й слой - 0,17 м. Следовательно, теплоизоляционный - 4-й слой, декоративный - 5-й слой.

Распределение температуры (температурное поле) в сечении ограждающей конструкции при средней температуре самой холодной пятидневки января (-38 °С) и в годичном цикле эксплуатации и полученные в результате нестационарного теп-ловлажностного расчета показаны на рис. 1 и 2 соответственно.

Анализируя данные, показанные на рис. 1 и 2, можно сделать следующие выводы:

- минимальное значение температуры внутренней поверхности ограждающей конструкции составляет 19,34 °С (приходится на январь), что выше нормативной температуры точки росы (11,6 °С);

- температурный перепад между температурами внутреннего воздуха и внутренней поверхности ограждения в зимние месяцы составляет

1,66 °С, что не превышает предельно допустимое нормативного значения 4 °С. Следовательно, выполняются требования [2] по обеспечению условий невыпадения конденсата на внутренней поверхности ограждающих конструкций.

В процессе эксплуатации ограждающей конструкции из-за колебаний температуры и относительной влажности атмосферного воздуха и внутри помещения вследствие диффузии водяных паров происходит увеличение относительной влажности материальных слоев конструкции. Это приводит к увеличению принятых при проектировании значений коэффициентов теплопроводности материалов. Влияние увлажнения ограждающей конструкции в годичном цикле эксплуатации на изменение коэффициента теплопроводности материальных слоев по результатам расчета показано на рис. 3.

На рис. 3 видно, что в годичном цикле эксплуатации ограждающей конструкции коэффициент теплопроводности несущего слоя увеличивается незначительно, а теплоизоляционного (слой 4) и декоративного (слой 5) на 13,6 %, и 14,5 % соответственно.

Увеличение значений коэффициента теплопроводности материальных слоев влечет за собой снижение значения приведенного сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции. Результаты расчета приведенного сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции в годичном цикле эксплуатации показаны на рис. 4.

О 40

о

га

а.

>

н то а. о с

о

30

20

10

-10 -20 -30 -40 -50

21,0

19,4 1Я п

15,1 12,0

Твнутр. Тпов 1 слой 2 слой 3 слой 4 слой 5 слой Тпов 5сл Токр.

-1 2,8 \ возд.

37,1 -37,7 -38,5

Рис. 1. Температура в сечении конструкции при средней температуре самой холодной пятидневки января

0

Рис. 2. Температурное поле в сечении конструкции в годичном цикле эксплуатации

£ 0.050 3

а 0,04В

= 0,046 • 0,044 | 0,042 = 0,040

I

| -6 '.05(11.'

и- ->* " (в----

0";н4

1

;

;

т- О го о А О щ о

Я го 9 Г4 Я ^ Я о

(ОСМ ГО СЧ СЧ

со _

О о

о ° о

щ о

Я ¿5

-Ч- ч-

о

со _

О О

о °

«Ч о

г- о

я «

1Л ч-

о

О) о о щ "Л

«ч о

о о

Т ¡л

ф ч-

о

<м о т о

Г- 1-

5 о

о О « а

-коэффициент теплопроводности 4 слоя

Рис. 3. Изменение коэффициента теплопроводности материальных слоев ограждающей конструкции

в годичном цикле эксплуатации

Рис. 4. Приведенное сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции в годичном цикле

На рис. 4 видно, что начальное значение расчетного сопротивления теплопередаче составляет 4,23 м°С/Вт, что выше нормируемого (4,14 моС/Вт) и удовлетворяет требованиям строительных норм [2]. Это значение сопротивления теплопередаче было принято при проектировании. Но в процессе эксплуатации вследствие увлажнения материальных слоев конструкции снижается до 3,74 м°С/Вт, что на 11,6 % ниже первоначального и ниже нормируемого.

Однако соблюдение условий невыпадения конденсата на внутренней поверхности ограждения позволяет считать тепловую защиту данной конструкции достаточно эффективной и приемлемой для строительства в климатических условиях Забайкальского края.

Вариант 2. Ограждающая конструкция (стена) толщиной 0,77 м выполнена в однослойном варианте из силикатного кирпича плотностью 1800 кг/м3, теплопроводностью 0,76Вт/(моС). Ограждающая конструкция условно разбита на 5 слоев: слой 1 - 0,17 м; слой 2 - 0,17 м; слой 3 -0,17 м; слой 4 - 0,14 м; слой 5 - 0,12 м.

Сопротивление теплопередаче такой конструкции, рассчитанное в стационарном режиме по нормативным документам составляет 1,17 (м°С)/Вт, то есть изначально не соответствует требуемым нормам для Забайкальского края (4,14 м оС/Вт), Но тем не менее в строительной практике такие проектные решения принимаются довольно часто с обоснованием обеспечения устойчивости, долговечности и экологичности кирпичных стеновых конструкций.

Результаты нестационарного тепловлаж-ностного расчета температурного поля в сечении кирпичной ограждающей конструкции в годичном цикле эксплуатации и при средней температуре самой холодной пятидневки января (-38 °С) показаны на рис. 5 и 6 соответственно.

Данные на рис. 5 и 6 показывают, что:

- минимальное значение температуры внутренней поверхности ограждающей конструкции составляет 14,78 °С (январь), что выше нормативной температуры точки росы (11,6 °С);

- перепад между температурами внутреннего воздуха и внутренней поверхности ограждения в зимние месяцы составляет 6,22 °С, что превышает предельно допустимое нормативное значение 4 °С.

Следовательно, требования [2] по обеспечению условий невыпадения конденсата на внутренней поверхности ограждающих конструкций не выполняются, что дает основание предполагать возможность конденсации влаги на внутренней поверхности ограждения.

Влияние увлажнения ограждающей конструкции в годичном цикле эксплуатации на изменение коэффициента теплопроводности материальных слоев по результатам расчета показано на рис. 7.

По рис. 7 видно, что в годичном цикле эксплуатации ограждающей конструкции вследствие увлажнения материала слоев конструкции коэффициент теплопроводности условных слоев конструкции увеличивается до 0,88 Вт/(м°С), что на 15,7 % выше обычно принимаемого при проектировании по нормативным документам (0,76 по параметру А) и приводит к снижению сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции. Результаты расчета приведенного сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции в годичном цикле эксплуатации показаны на рис. 8.

По рис. 8 видно, что начальное значение расчетного сопротивления теплопередаче составляет 1,17 м°С/Вт, что гораздо ниже нормируемого (4,14 м оС/Вт), а после года эксплуатации еще снижается на 9,4 % и составляет 1,06 м°С/Вт.

20,93

ч> <о! _ ш ф о  в Э аиа П] «ч О «ч Л УЩ «Л т « в в Я о в «ч в (в _ 40 Ш - в о <4 в» {- _ 40 Ш - в о <4 в » - I  о о «ч в 9) 11 в « 3 о о \ о V ГГ § о .  о   о .^'о %МЦ

1г т- ,ёд «1 « > « 1 в /о о гч т 9 г "Л О т «Л О г- 1Л о Ч- 40 О 9 9

-50

температура внутреннего воздуха

-температура в сетении 1 слоя ограждающей конструкции

-температура навнутренней поверхности ограждающей конструкции

— температура в сетении 2 слоя ограждающей конструкции

-температура в сетении 3 слоя ограждающей конструкции

температура в сетении 4 слоя ограждающей конструкции

-температура в сетении 5 слоя ограждающей конструкции

-температура на наружной поверхности ограждающей конструкции

температура наружного воздуха --температура точки расы

-Полиномиальный

-Полиномиальный

Рис. 5. Температурное поле в сечении однослойной ограждающей конструкции

О

40

30

20

10

га о. > 0 I-

га

£ -10 с

1 -20

-30

-40

-50

21,0 14 8

8,9

-2,2

Твнутр. Тпов 1 слой 2 слой 3 слой 4 слой 5 слой Тпов Токр.

-12,2 0,4

30,3 -38,3 -38,5 -•

Рис. 6. Температура в сечении однослойной конструкции при средней температуре самой холодной пятидневке января

Рис. 7. Изменение коэффициента теплопроводности материальных слоев ограждающей конструкции

в годичном цикле

Следовательно, тепловая защита ограждающей конструкции, выполненной из силикатного кирпича в однослойном варианте, не удовлетворяет ни одному из требований нормативных документов [1, 2], и даже при увеличении мощности отопительных систем для поддержания нормативной температуры внутри помещения высока вероятность выпадения конденсата на внутренней поверхности ограждения.

В подтверждение сделанных выводов на рис. 9 приводятся фотографии и термограммы,

полученные в результате тепловизионного обследования наружных стен жилого дома после одного года эксплуатации в пос. Забайкальском Забайкальского края.

Ограждающие конструкции выполнены в однослойном варианте из силикатного кирпича толщиной 0,77 м, хотя проектом предусматривалось возведение трехслойных стен с минераловат-ным утеплителем.

При визуальном обследовании внутренней поверхности наружных стен в квартирах 1-5-го

этажей отмечено наличие очагов выпадения конденсата и образования грибковой плесени на глади стен, в углах комнат, на оконных откосах. Параметры микроклимата в помещении на момент обследования отличались от нормативных и составили: температура 23 °С, относительная влажность воздуха 70 %. Согласно данным таблицы справочного приложения Р в [3], температура точки росы при фактических параметрах микроклимата в помещении составляет 15,12 °С, что выше температуры внутренней поверхности стен и обуславливает появление очагов выпадения конденсата и намокание стен.

Заключение

Результаты нестационарного расчета тепловой защиты ограждающих конструкций, а также комплексного (тепловизионного и натурного) обследования теплотехнического состояния наружных ограждающих конструкций эксплуатируемых зданий показывают, что практически всегда существует несоответствие их теплотехнических характеристик тем величинам, которые были заложены в проектах. Данное несоответствие вызвано не только отклонениями от проектных решений при строительстве, но и изменением теплотехнических характеристик материальных слоев ограждающих конструкций во время эксплуатации. Так, например, в Забайкалье, отличающемся резко континентальным климатом, ограждающие конструкции в течение года (особенно в межсезонные периоды) подвергаются воздействию резко изменяющихся суточных температур и параметров влажности. Перепад между дневными и ночными температурами в межсезонье составляет 20^ 30 оС, а максимум осадков (до 50-55 % годовой суммы) приходится на вторую половину лета. Нормами также практически не учитывается процесс проникновения капиллярной влаги в толщу конструкции вследствие атмосферных воздействий и субъективных факторов, возникающих при эксплуатации зданий (неисправности вентиляции, аварии тепло- и водоснабжающих сетей, нестационарность процессов тепломассопереноса в ограждающих конструкциях и т. д.). Кроме того, повышенная влажность ограждений оказывает влияние на влажностный режим воздушной среды в помещении (повышает влажность), что приводит к намоканию стен, появлению грибковой плесени, словом, является нежелательным с гигиенической точки зрения.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что проектирование ограждающих конструкций по существующим нормам не является безусловной гарантией их эксплуатационной

надежности, а отсутствие на стадии проектирования моделирования нестационарных тепло-влажностных процессов, протекающих в конструкциях во время эксплуатации, с учетом климатических особенностей района строительства приводит к снижению тепловой защиты ограждающих конструкций зданий.

Очевидно, что требуется новый подход к проектированию тепловой защиты ограждающих конструкций зданий, основанный на многовариантных предпроектных расчетах тепловлажност-ного состояния материальных слоев и конструкции в целом в эксплутационных (нестационарных) условиях района строительства.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. СНиП 23-01-99 Строительная климатология. Взамен СНиП 2.01.01-82 ; введ. 01.01.2000. М. : Госстрой России, ГУП ЦПП, 2000.

2. СНиП 23-02-2003 Тепловая защита зданий. Взамен СНиП II-3-79* ; введ. 01.10.2003. М. : Госстрой РФ, ФГУП ЦПП, 2004.

3. СП 23-101-2004 Свод правил по проектированию и строительству. Проектирование тепловой защиты зданий. Введ. 01.06.2004. М., 2004.

4. О применении трехслойных стеновых ограждающих конструкций с внутренним слоем из плитного эффективного утеплителя и лицевым слоем из кирпичной кладки при строительстве гражданских зданий на территории Московской области [Электронный ресурс] : распоряж. Минмособлстроя от 23.05.2008 № 18. // Строительный технологии Сибири : сайт. URL: http: //www .sts54.ru/svoy stva-poHstirolbetona/constr.php (Дата обращения 19.04.2014).

5. Распоряжение Кабинета министров республики Татарстан № 382-р от 30.03.2009. [Электронный ресурс]. URL: http: //prav.tatarstan.ru/rus/docs/post/rasp 1 .htm?page=5 &pub_id=32284\ (Дата обращения 19.04.2014).

6. Рубашкина Т.И. Исследование эффективности современных утеплителей в многослойных ограждающих конструкциях зданий : дисс. ... канд. техн. наук / Т.И. Рубашкина ; ЗабИЖТ. Чита, 2009. 152 с.

7. Рубашкина, Т.И. К вопросу о повышении энергоэффективности ограждающих конструкций зданий // Горный информ.-аналит. бюллетень. № 4. Отд. Вып. Забайкалье. М. : Мир горной книги, 2007. С.415-424.