Вопросы учёта тепловых потерь в стыках каркасно-панельных деревянных элементов

Деревопереработка. Химические технологии

DOI: 10.12737/11275 УДК 624.011.2

ВОПРОСЫ УЧЁТА ТЕПЛОВЫХ ПОТЕРЬ В СТЫКАХ КАРКАСНО-ПАНЕЛЬНЫХ

ДЕРЕВЯННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

доктор технических наук, профессор С. И. Рощина1

А. В. Власов1

Е. В. Кардаш1 Е. В. Грешкина1

1 - Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Владимирский государственный университет имени Александра Г ригорьевича и Николая Г ригорьевича Столетовых», г. Владимир, Российская Федерация

В статье рассмотрены факторы тепловых потерь в стыках каркасно-панельных деревянных элементов, используемых преимущественно в малоэтажном строительстве. Каркасно-панельное строительство является наиболее перспективным видом развития малоэтажной застройки в виду повышения качества и сокращения сроков возведения жилых домов. Наиболее актуальным вопросом является конструкция и качество выполняемых на строительной площадке соединений стеновых панельных элементов из деревянного каркаса. Выполнен обзор применяемых видов стыков, рассмотрены недостатки и преимущества конструктивных и технологических решений. В работе обозначены критерии оценки эффективности конструктивных и технологических решений узлов соединения панельных элементов домов. Важной составляющей, обеспечивающей качество возводимого здания, продлевающей эксплуатационные характеристики конструкций, а также повышающей энергосберегающие характеристики соединения является герметичность. Существует прямая зависимость между степенью воздухопроницаемости наружной оболочки и требованиями к толщине теплоизоляции здания. Повышение герметичности здания позволяет избежать в последствии излишних затрат на отопление, способствует увеличению КПД вентиляционной системы и как следствие экономит затраты собственника на строительство и эксплуатацию. Рассмотрен вопрос учёта тепловых потерь путём конвективного теплообмена с использованием теории переноса массы газа в канале при наличии параллельного стенкам градиента температуры. Построены зависимости величины тепловых потерь от величины неплотности в монтажном стыке. Вопрос совершенствования конструктивных и технологических решений стыков крупнопанельных элементов на деревянном каркасе является актуальным и требует комплексного подхода с учётом характеристик по герметичности, теплопроводности, технологичности изготовления и монтажа.

Ключевые слова: деревянные стеновые панели, герметичность, теплопотери, монтажный стык, перенос тепла, конвективный теплообмен.

178

Лесотехнический журнал 1/2015

Деревопереработка. Химические технологии

QUESTIONS TO ACCOUNTING OF HEAT LOSS IN THE JOINTS OF FRAME-PANEL

WOODEN ELEMENTS

DSc in Engineering, Professor S. I. Roshchina 1

A. V. Vlasov1 E. V. Kardash1 E. V. Greshkina1

1 - Federal State Budget Education Institution of Higher Professional Education "Vladimir State

University named after Alexander and Nikolay Stoletovs", Vladimir, Russian Federation

Abstract

The factors of heat loss in the joints of frame-panel wooden elements, used mainly in low-rise construction, are considered. Frame-panel construction is the most promising type of low-rise buildings referring improving the quality and reducing the time of construction of residential buildings. The most important issue is the design and quality of the connections of wall panel elements of a wooden frame on the construction site. The review of the used types of joints is made, the advantages and disadvantages of design and technological solutions are considered. In this paper we evaluate the effectiveness of the criteria indicated by the design and technological solutions of connection units of panel elements of houses. An important component of ensuring the quality of the building, prolonging the performance of structures, as well as boosting energy-saving characteristics of the connection is imperviousness. There is a direct relationship between the degree of air permeability of the outer shell and the thickness of the insulation requirements for buildings. Improved imperviousness of building helps to avoid later unnecessary heating costs, increases the efficiency of the ventilation system and as a result saves the owner costs for construction and operation. The problem of taking into account the heat loss by convection heat transfer using the theory of mass transfer in the gas channel in the presence of a temperature gradient parallel to the wall is considered. Dependences of the heat loss on the value of looseness in the field joints are built. The issue of improving the design and technological solutions of joints of large items on a wooden frame is relevant and requires a comprehensive approach taking into account the characteristics for imperviousness, thermal conductivity, manufacturability and assembly.

Keywords: wooden wall panels, imperviousness, heat loss, field joints, heat transfer, convective heat transfer.

Введение

Всё повышающиеся требования к энергетической эффективности зданий обусловлены необходимостью снижения уровня потребления ископаемых углеводородов в частности и изменения климата в целом. Применение древесины в качестве основного строительного материала позволяет замкнуть

жизненный цикл строительных материалов в здании и уменьшить объём использования невозобновляемых ресурсов.

Стеновые деревянные ограждающие конструкции по своему составу возможно разделить на цельнодеревянные и каркасные. Наиболее популярными цельнодеревянными ограждающими конструкциями являются

Лесотехнический журнал 1/2015

179

Деревопереработка. Химические технологии

рубленые из бревна стены. Так же стены могут быть изготовлены из оцилиндрованного бревна, профилированного либо прямоугольного бруса. Реже встречаются цельнодеревянные стеновые панели, толщиной от 80 до 300 мм, набираемые из ламелей путём склеивания, либо на гвоздевом соединении.

В свою очередь каркасные конструкции стен удобнее классифицировать по способу возведения. Набираемые поэлементно каркасные стены, фахверковые стены полностью собираются на строительной площадке и их прочностные и теплоизоляционные характеристики во многом зависят от квалификации рабочих. Каркасные дома из модульных панельных элементов, например, таких как СИП панели, возводятся быстрее, хотя отделочные работы и монтаж заполнений оконных и дверных проёмов сопоставим с наборными каркасами.

Наибольшей степенью заводской готовности обладают крупнопанельные стеновые элементы с нанесёнными внутренними и наружными отделочными слоями и установленными оконными и дверными заполнениями. Монтаж дома из таких панелей занимает рекордные сроки в 2-4 дня. Количество стыков, выполняемых на строительной площадке минимальное, что позволяет снизить риски ошибок и человеческий фактор.

Преимущества и недостатки каркасно-панельного строительства.

К основным преимуществам следует отнести: относительно невысокую стоимость строительства; экологичность; всепогодность монтажа; отсутствие усадки конструкций; устройство облегчённых фундаментов; высокая степень готовности стеновых элементов; быстрое возведение

здания и т.д. [3, 4, 8].

К наиболее существенным недостаткам следует отнести сложность конструктивных решений межпанельных стыков, которые, с точки зрения энергоэффективности, должны обладать низкой линейной теплопроводностью и герметичностью. Так же от технического решения стыка зависит скорость и качество его выполнения на строительной площадке.

Существующие конструктивные решения межпанельных стыков.

Наиболее часто встречающимся соединением стеновых панельных элементов на деревянном каркасе является просто параллельное соединение торцевых поверхностей панелей с закреплением при помощи болтов. Обеспечение герметичности в данном случае можно выполнить как устройством сплошного внутреннего контура пароизоляции, либо замыканием контура пароизоляции на панели ОСП. Уменьшения влияния мостов холода в данном случае решается устройством снаружи здания дополнительного слоя теплоизоляции, перекрывающего все наружные стыки. На рис. 1 изображён пример такого узла.

Основным недостатком такого соединения является необходимость устройства дополнительного слоя теплоизоляции снаружи здания, что существенно увеличивает сроки строительства.

Одним из примеров решения данной проблемы можно рассмотреть узел с пазогребневым соединением и устройством уплотнительной ленты [2]. Узел изображён на рис. 2.

К недостаткам такого соединения следует отнести сложность изготовления стыка,

180

Лесотехнический журнал 1/2015

Деревопереработка. Химические технологии

3 ,4 4 /

- - - 'V/ 7> \

| У; : / —\ \ \ i laAs

i ( 1 _1 У'\}w ш

2 \\ 5

Рис. 1. Узел стыковки панельных элементов по длине (вид сверху): 1 - наружный дополнительный слой теплоизоляции;

2 - клейкая лента; 3 - утеплитель стеновой панели; 4 - несущие деревянные рёбра стеновой панели; 5 - обшивка панели ОСП

6 7 4 3

Рис. 2. Пазогребневое соединение панельных элементов: 1, 6 - дополнительные элементы образующие паз и гребень на торцах панели; 2, 4 - несущие рёбра;

3 - внутренний утеплитель; 5 - обшивка панели ОСП; 6 - изолирующий вкладыш

большое количество дополнительных деталей. Герметичность такого соединения при помощи изолирующего вкладыша сложно обеспечить по всей длине шва.

Альтернативой такому соединению возможно использовать узел со стыковочными элементами полученными путём фрезерования цельнодеревянного или клееного бруса. Увеличение количества

пазов повышает надёжность в вопросе обеспечения герметичности, (рис. 3).

4 3

Рис. 3. Улучшенный стык стеновых элементов: 1 - уплотнительный шнур;

2, 4 - несущие рёбра; 3 - внутренний утеплитель; 5 - обшивка панели ОСП

Герметичность наружной оболочки

Герметичность здания способствует уменьшению тепловых потерь и способствует эффективной работе вентиляционных установок (рис. 4).

Герметичности наружной оболочки нужно уделять особое внимание, так как инфильтрация теплого воздуха сквозь стены и узлы способствует конденсации влаги в утеплителе и, как следствие, снижению теплопроводности и долговечности ограждающих конструкций.

Нормативные значения воздухопроницаемости n50 по нормам РФ: n50 < 4,0 ч-1 для зданий с естественной вентиляцией; n50 < 2ч-1 для зданий с механической вентиляцией. Здесь n50 - кратность воздухообмена при 50 Па ~ 30 км/ч скорость ветра [1, 9].

Для достижения стандарта пассивного дома кратность воздухообмена не должна превышать n50 < 0,6 ч-1.

Влияние конвективного теплообмена на потери тепла

Образование зазоров в пароизоляционном слое способствует проходу сквозь

Лесотехнический журнал 1/2015

181

Деревопереработка. Химические технологии

I s

01 р Г ш

Е —

Е ^ ч О 5 р щ £ £  ™ £ гц £ rt *

si I

3! *

Гй

.

i

>

S

о

25

20

15

10

Lr Крите ер и и ПД n ju так. 0,6 1/ч

1

1 1 1 —1—1—1—1—1—1—1—1—1—1—1—1—1—1—1

О —l(NflrTU141NffllH О О о" о" о" О О О о"

Удельный расход тепла на отопление

Гранич. Знамение уд. Расхода

•Отопительная нагрузка

Норм. Знамение отоп. Нагруз ки

Ч И (N П ч 1Л

n jo — кратность воздухообмена при разности давлений 50 Па

Рис. 4. Зависимость расхода тепла на отопление от герметичности наружной оболочки

ограждающую конструкцию тёплого воздуха. Потери тепла в данном случае возможно учесть при использовании теории переноса массы газа в канале при наличии параллельного стенкам градиента температуры.

Результаты расчётов потери тепла в единицу времени Qz [кал/час] при темпера-

туре воздуха внутри помещения t1=20 °С по формуле [5, 6]:

Qz = 19,868 * 10“4 • (71,429 • D’ -

-1,762)

tl~t2 t-, +273°

L

Н'

приведены на рис. 5-7.

Из рисунков видно, что чем больше

Рис. 5. Значения Qz, приходящиеся на L’=1 см длины щели, при толщине строительной конструкции H’=10 см

182

Лесотехнический журнал 1/2015

Деревопереработка. Химические технологии

Рис. 6. Значения Qz, приходящиеся на L’=1 см длины щели, при толщине строительной конструкции H’=15 см.

Рис. 7. Значения Qz, приходящиеся на L’=1 см длины щели, при толщине строительной конструкции H’=20 см.

толщина стеновой панели, тем меньшее влияние оказывает наличие утечки тепловой баланс здания. Однако этим всё же не стоит пренебрегать, так как длина межпанельных стыков дома площадью 120 м составляет более 70 м и при некачественном исполнении соединений тепловая оболочка здания может

оказаться неэффективной.

Основные выводы

1. Каркасно-панельное деревянное домостроение является наиболее перспектив ным в малоэтажном строительстве. Заво дское качество изготовления и быстрые сро ки возведения сооружений являются основ

Лесотехнический журнал 1/2015

183

Деревопереработка. Химические технологии

ным преимуществом данной технологии.

2. Применяемые технические решения не позволяют выполнить надёжный, технологичный узел соединения стеновых панелей по длине.

3. Герметичность наружной оболочки играет большую роль в общем энергетическом балансе здания и ей не следует пренебрегать при проектировании и сборке здания.

4. Даже незначительные зазоры в наружной оболочке здания способствуют существенным тепловым утечкам. Расчёт утечек может быть выполнен с погрешностью не более 0.5 %

5. Комплексный подход в проектировании соединений панельных деревянных элементов позволит увеличить энергетические показатели всего здания в целом.

Библиографический список

1. СП 31-105-2002. Проектирование и строительство энергоэффективных одноквартирных жилых домов с деревянным каркасом [Текст]. - Введ. 2002-07-01. - М. : Госстрой России: Изд-во стандартов, 2002.

2. Драчёва, А.А. Технология каркасно-панельного домостроения на примере опыта компании «Беломорский лес» [Текст] / Драчёва А.А., Черемная Т.С. // Деревянные конструкции - 2011: образование, практика, инновации в странах Баренцева Евро-Арктического региона. - Архангельск, 2012. - C. 77-81.

3. Жаданов, В.И. Деревянные панельные конструкции для малоэтажного строительства [Текст] : моногр. / В.И. Жаданов, Д.А. Украинченко. - Оренбург : ООО ИПК «Университет», 2013. - 390 с. - ISBN 978-5-4417-0290-4.

4. Лабудин, Б.В. Общественные здания с деревянным каркасом: особенности конструкции и расчета [Текст] / Б.В. Лабудин, А.Ю. Гурьев, О.А. Бурова // Сборник научных трудов Международного симпозиума «Современные металлические и деревянные конструкции (нормирование, проектирование и строительство). - Брест, 2009. - C. 142-147.

5. Лукашев, В.В. Математическое моделирование потерь тепла в строительных конструкциях с учётом дефектов монтажа [Текст] / В.В. Лукашев, В.Н. Попов, Д.А. Рудный, И.В. Тестова // Деревянные конструкции - 2011: образование, практика, инновации в странах Баренцева Евро-Арктического региона. - Архангельск, 2012. - C. 105-110.

6. Тестова, И.В. Перенос массы газа в канале при наличии параллельного стенкам градиента температуры [Текст] / И.В. Тестова // «Вестник Поморского университета. Серия: Естественные науки». - 2011. - №2. - C. 124-128.

7. Bredenbals, В. Holztafelbau-weiseimmehrgeschossigen Wohnungsbau [Text] / В. Bredenbals, H. Hullmann. - Bauforschung fur die Praxis, Band 48. Hg. Fraunhofer IRB Verlag.Stuttgart. 1996.

8. Eriksson, P-E. Wood components in steel and concrete buildings - In-fill exterior wall panels [Text] / P-E. Eriksson. Study compiled for the Nordic Timber Council. - 2003.

9. Rug, W. Holzbau. Bemessung und Konstruktion. 15.,vollstandig. uberarbeitete Auflage [Text] / W. Rug, W. Monck. - Verlag Bauwesen. - 2008. - 543 p.

10. Otto, F. InformationsdienstHolz, holzbauhandbuch [Text] / F. Otto, M. Ringeler // R1A1/F8: Funktionsschichten und Anschlusse fur den Holzhausbau. Hg. Holzabsatzfonds, DGfH Innovations- und Service GmbH, Bonn. - 2004.

184

Лесотехнический журнал 1/2015

Деревопереработка. Химические технологии

References

1. SP 31-105-2002. Proektirovanie i stroitel'stvo jenergojeffektivnyh odnokvartimyh zhilyh domov s derevjannym karkasom Vved. 2002-07-01. [Design and construction of energy-efficient single-family houses with wooden frame. Intr. 2002-07-01]. Moscow, State Building in Russia: Publishing House of Standards, 2002. (In Russian).

2. Dracheva A.A., Cheremnaya T.S. Tehnologija karkasno-panel'nogo domostroenija na pri-mere opyta kompanii «Belomorskij les» [Technology of frame and panel construction on the example of the company "White Sea Forest"]. Derevjannye konstrukcii [Wooden structures]. Arkhangelsk, 2012, pp. 77-81. (In Russian).

3. Zhadanov V.I., Ukrainchenko D.A. Derevjannye panel'nye konstrukcii dlja malojetazhnogo stroitel'stva [Wooden panel structures for low-rise building]. Orenburg, 2013, 390 p. - ISBN 978-54417-0290-4. (In Russian).

4. Labudin B.V., Guryev A.Y., Burova O.A. Obshhestvennye zdanija s derevjannym karkasom: osobennosti konstrukcii i rascheta [Public buildings with wooden frames: structural features and calculation]. Sbornik nauchnyh trudov Mezhdunarodnogo simpoziuma «Sovremennye metalli-cheskie i derevjannye konstrukcii [Collection of proceedings of the International Symposium "Modern metal and wooden structures]. Brest, 2009, pp. 142-147. (In Russian).

5. Lukashev V.V., Popov V.N., Rudny D.A., Testova I.V. Matematicheskoe modelirovanie poter' tepla v stroitel'nyh konst-rukcijah s uchjotom defektov montazha [Mathematical modeling of heat loss in building constructions in view of mounting defects]. Derevjannye konstrukcii [Wooden structures]. Arkhangelsk, 2012, pp. 105-110. (In Russian).

6. Testova I.V. Perenos massy gaza v kanale pri nalichii parallel'nogo stenkam gra-dienta temperatury [Gas mass transfer in the channel in the presence of a temperature gradient which is parallel to the walls]. VestnikPomorskogo universiteta. Serija: Estestvennye nauki ["Vestnik Pomeranian University. Series: Science»], 2011, no. 2, pp. 124-128 (In Russian).

7. Bredenbals, В., Hullmann, H. Holztafelbau-weiseimmehrgeschossigen Wohnungsbau. Bau-forschung fur die Praxis, Band 48. Hg. Fraunhofer IRB Verlag.Stuttgart, 1996.

8. Eriksson P-E. Wood components in steel and concrete buildings - In-fill exterior wall panels. Study compiled for the Nordic Timber Council, 2003.

9. Rug, W., Monck, W. Holzbau. Bemessung und Konstruktion. 15., vollstandig. uberarbeitete Auflage. Verlag Bauwesen, 2008, 543 p.

10. Otto F., Ringeler M. InformationsdienstHolz, holzbauhandbuch. R1A1/F8: Funk-tionsschichten und Anschlusse fur den Holzhausbau. Hg. Holzabsatzfonds, DGfH Innovations- und Service GmbH, Bonn, 2004.

Сведения об авторах

Рощина Светлана Ивановна - член-корреспондент Международной академии инвестиций и экономики строительства, руководитель школы армированных деревянных конструкций, заведующая кафедрой «Строительные конструкции» Владимирского государственного

Лесотехнический журнал 1/2015

185

Деревопереработка. Химические технологии

университета имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых, доктор технических наук, профессор, г. Владимир, Российская Федерация; e-mail: rsi3@mail.ru.

Власов Антон Владимирович - старший преподаватель кафедры «Строительные конструкции» Владимирского государственного университета имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых, г. Владимир, Российская Федерация; e-mail: vav-33@ya.ru.

Кардаш Елена Валерьевна - заведующая лабораториями кафедры «Строительные конструкции» Владимирского государственного университета имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых, г. Владимир, Российская Федерация; e-mail: voitkeviche@mail.ru.

Грешкина Екатерина Владимировна - старший преподаватель кафедры «Строительные конструкции» Владимирского государственного университета имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых, г. Владимир, Российская Федерация; e-mail: katenka33_86@mail.ru.

Information about authors

Roshchina Svetlana Ivanovna - a member of the International Academy of Investments and Construction Economics, Head of the School of reinforced wooden structures, Head of Department "Building Structures", Vladimir State University named after Alexander Grigoryevich and Nikolay Grigoryevich Stoletovs, Ph.D. in Engineering, Professor, Vladimir, Russian Federation; e-mail: rsi3@mail.ru.

Vlasov Anton Vladimirovich - senior lecture of Department "Building Structures", Vladimir State University named after Alexander Grigoryevich and Nikolay Grigoryevich Stoletovs, Vladimir, Russian Federation; e-mail: vav-33@ya.ru.

Kardash Elena Valeryevna - Head of laboratries of Department "Building Structures", Vladimir State University named after Alexander Grigoryevich and Nikolay Grigoryevich Stoletovs, Vladimir, Russian Federation; e-mail: voitkeviche@mail.ru.

Greshkina Ekaterina Vladimirovna - senior lecture of Department "Building Structures", Vladimir State University named after Alexander Grigoryevich and Nikolay Grigoryevich Stoletovs, Vladimir, Russian Federation; e-mail: katenka33_86@mail.ru.

186

Лесотехнический журнал 1/2015