СПОСОБ СТРОИТЕЛЬСТВА ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ СООРУЖЕНИЙ И СИСТЕМА ПОДДЕРЖАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ В СООРУЖЕНИИ
METHOD FOR CONSTRUCTING ENERGY-EFFICIENT STRUCTURES AND SYSTEM FOR MAINTAINING TEMPERATURE IN CONSTRUCTION

Изобретение относится к области строительства, а именно к разработке проектных решений по созданию энергоэффективных, экологичных зданий и сооружений, в которых поддерживают заданную температуру воздуха, и может быть использовано при строительстве сооружений для отопления и/или охлаждения помещений в жилых и производственных, складских помещениях, в животноводческих фермах, в теплицах для подогрева грунта при выращивании ранних овощей с помощью труб с проходящими в них теплоносителем или хладагента.
Известно энергоэффективное здание по патенту Российской Федерации №131752, кл. Е04В 1/02, Е04Н 1/00, 2013 г., по которому высокую энергетическую эффективность здания обеспечивают в том числе, например, и путем исполнения конструкции плиты перекрытия и конструкции несущих ограждающих многослойных стен.
При изготовлении плиты перекрытия или в заводских условиях, или непосредственно на стройке при изготовлении монолитной плиты перекрытия, в тело плиты укладывают арматурные каркасы с закладными деталями так, чтобы одни закладные детали были размещены заподлицо наружной плоскости торца плиты перекрытия. А другие - заподлицо верхней и нижней плоскостям плиты перекрытия.
Между арматурными каркасами в плите перекрытия выполняют гнезда, в которые затем при монтаже плиты перекрытия укладывают теплоизолирующие вкладыши.
После монтажа плиты перекрытия монтируют самонесущую ограждающую многослойную стену.
Для этого по наружному периметру здания на поверхности плиты перекрытия укладывают тепло-звукоизолирующую подложку, на которую устанавливают П-образную обвязку также по всему периметру и крепят ее к плите перекрытия. Затем в П-образную обвязку с определенным шагом устанавливают С-образные стойки предварительно обжатыми концами, выполненными таковыми не только для удобства, но и надежности и точности установки.
По наружному торцу плиты перекрытия к закладным деталям крепят несущую конструкцию фасада.
Между С-образными стойками на всю их высоту укладывают первый тепло-звукоизоляционный слой, затем - первый облицовочный внутренний слой, пароизоляционный слой и второй облицовочный внутренний слой.
После этого с наружной стороны самонесущей ограждающей многослойной стены устанавливают второй тепло-звукоизоляционный слой, ветрозащитный слой и на несущую конструкцию фасада монтируют облицовочный фасадный слой.
В зависимости от климатических условий самонесущую ограждающую многослойную стену выполняют разной толщины посредством использования для С-образной стойки одного или двух металлических профилей и за счет различного их соединения.
Конструкция стен отвечает основным требованиям будущих владельцев дома - теплая, экономичная, надежная и быстровозводимая.
В целом предложенная каркасно-панельная технология строительства имеет следующие преимущества: высокие темпы строительства; возможность строительства в любое время года без потери качества и увеличения стоимости работ; изготовление составляющих элементов здания с высокой заводской подготовкой и точностью; в процессе строительства не требуется специальной техники, поскольку части каркаса имеют небольшие размеры и вес, дом собирается усилиями бригады из 4-5 человек; возможность сохранить в целости ландшафт местности и имеющуюся на участке растительность; высокие теплоизоляционные и звукоизоляционные свойства конструкции; экологичность используемых материалов; большое разнообразие архитектурно-планировочных решений и внутренней отделки, возможность использования любых материалов для отделки фасада дома.
Однако в конструкции здания в большей степени энергосбережение уделено стенам и в меньшей степени греющим полам.
Известно энергоэффективное и экологичное здание по патенту Российской Федерации №80486, кл. Е04Н 1/00, 2009 г., принятым заявителем за прототип, по которому возводят энергоэффективное и экологическое здание следующим образом.
На выбранном и размеченном участке возводят фундамент, для чего в указанных местах устанавливают винтовые сваи, выставляя их на одном уровне. Затем, чтобы создать единый фундамент, все винтовые сваи соединяют между собой обвязочной балкой, либо металлической, либо бетонной.
На возведенный фундамент монтируют основание, собирая его из трех слоев, при этом панель основания закрепляют непосредственно на фундаменте. После этого возводят стены, панели которых соединяют с панелями основания. Внутри стен устанавливают балки, соединяя их между собой соединительным элементом и крепежными элементами. Пустоты между рядовыми балками заполняют утеплителем. А угол стены, где размещена также балка и стеновые панели, связан торцевым соединительным элементом. Для придания определенной жесткости зданию нижний и верхний торцы собранных стен соединяют обвязочной балкой.
Затем монтируют перекрытие, выполненное также из унифицированных панелей, укладывая их на собранные стены и соединяя с обвязочной балкой. После этого возводят элементы крыши и кровлю. Здание собрано. Приступают к внутренней отделке, монтируя в том числе систему вентиляции и отопления, в которую входит теплый плинтус. Его устанавливают по периметру помещения. Тепло, исходящее от него, быстро нагревает пол и стены помещения и поддерживает постоянную температуру по всей его высоте.
Используемая технология в строительстве описываемого здания: каркасно-панельная, представляет собой целесообразное и эффективное решение, дающее значительную экономию. Одной из составляющих которой является использование деревянного и металлического каркаса на основе легких стальных тонкостенных конструкций. А также использование фундамента с применением винтовых свай: он экономичен, позволяет полностью отказаться от земляных работ. Работы могут вестись в любое время года, даже зимой. Фундаменты с использованием винтовых свай позволяют существенно сэкономить сроки строительства, значительно снизить затраты на 30-50%, значительно рациональнее решить вопросы охраны окружающей среды.
Кроме того, конструкция стен отвечает основным требованиям будущих владельцев дома - теплая, экономичная, надежная и быстровозводимая. Высокие энергосберегающие характеристики дома из теплоизоляционных панелей достигаются за счет использования современных материалов и теплого плинтуса. Он создает климат, положительно влияющий на здоровье человека:
- равномерно распределяет тепло в помещении;
- нагревает пол и стены;
- экономит до 40% энергии;
- прост в монтаже;
- позволяет быстро изменять температуру, в том числе с использованием современной автоматики.
Недостатком этого здания является то, что используемые технологии строительства требуют доработки в части их системы утепления с использованием новых материалов и технологии строительства.
Известен электрообогреваемый пол по патенту Российской Федерации №2124612, кл. E04F 15/18, 1999 г., содержащий теплоизолирующий, подстилающий, теплоаккумулирующий слой, покрытие и соединенные параллельно нагревательные элементы в виде углеродных лент. Пол выполнен монолитным на едином основании, а углеродные ленты, характеризующиеся шириной 15-100 мм и линейным электрическим сопротивлением 2-20 Ом/м, расположены между подстилающим и теплоаккумулирующим слоями равномерно по площади пола так, что отношение ширины к длине ленты составляет 1:10 - 1:125, а отношение суммарной площади лент к площади пола составляет 0,2-0,9.
Электрообогреваемый пол данной конструкции, обеспечивающий комфортный тепловой режим на поверхности пола, безопасен за счет применения сверхнизкого напряжения 12 или 24 В, экологически чист, долговечен и надежен в эксплуатации, так как углеродные ленты в качестве нагревательных элементов при температуре 50-70°С на поверхности ленты беспрерывно могут работать более 40 лет, позволяет экономить электроэнергию за счет оптимального выбора геометрических соотношений углеродных лент.
Основным недостатком данного электрообогреваемого пола является то, что применение в качестве нагревательного элемента углеродных лент и размещение их между подстилающим и теплоаккумулирующими слоями равномерно по площади пола, развивает большую мощность, что приводит к увеличению температуры на поверхности пола гораздо выше оптимальной.
Известно устройство обогрева и/или охлаждения помещений по патенту Российской Федерации №2178122, кл. F24D 3/14, Е04В 5/10, 2002 г., принятое заявителем за прототип для системы поддержания температуры в сооружении. Оно содержит несущую плиту, на которой уложены трубы так называемый регистр труб, по которым проходит теплоноситель или охлаждающая среда, уложенная в теплопроводящий слой, например, из затвердевшего гидравлического связующего материала. Несущая плита устройства образована волнообразным профилем, имеющим в поперечном сечении на обращенной к отапливаемому или охлаждаемому помещению стороне несущей плиты выступы и впадины, переходящие друг в друга под плоским углом α при вершине, причем трубы в зоне впадин несущей плиты проходят на определенном расстоянии от их самой низкой точки и покрыты тонким слоем массы. Теплопроводящий слой, в который уложены трубы, вместе с выступами и впадинами покрыт на свободных сторонах тонким слоем штукатурки или материала бесшовного пола. В слой штукатурки уложена стеклоткань. Несущая плита изготовлена из прессованного волокнистого материала. В качестве материала несущей плиты используется пенька. Несущая плита выполнена из пенопласта. Угол при вершине профиля α<45°. Расстояние между трубами от самой низкой точки впадины составляет приблизительно 20% от диаметра трубы. В зоне выступов несущей плиты предусмотрены отверстия. Выступы и впадины закруглены.
Согласно этому устройству создается равномерное распределения тепла и температуры поверхности устройства на его обращенной к отапливаемому помещению стороне, оно отличается меньшим аккумулированием тепла, в следствии чего имеется возможность ускорения регулировки и предотвращения образования конденсата на поверхности, простота монтажа на месте.
Однако данное устройство не полностью обеспечивает поддержку равномерной температуры помещения.
Технической задачей изобретения является разработка проекта здания и сооружения, в котором поддерживалась бы заданная равномерная температура, для чего должна быть разработана система для поддержания заданной температуры в помещении, в том числе для этой цели должно быть разработано нагревательное устройство, поддерживающее заданную температуру.
Поставленная задача решается тем, что в предлагаемом решении в системе отопления для передачи полу тепла заданной температуры используют нагревательные маты, которые выполняют модульными в виде многослойных панелей, которые укладывают на подготовленное основание с гидроизоляционным теплоотражающим слоем и подключают их к системе энергообеспечения сооружения.
Кроме того, каждый нагревательный мат снабжают тепловым элементом и выполняют его с теплоизоляционным и теплоаккумулирующим слоями, которые изготавливают из рассева на фракции 3-16 мм капсулированного пористого заполнителя, преимущественно керамзита, пористый заполнитель связывают между собой цементно-клеевым составом только в местах соприкосновения капсул, при этом укладку слоев заполнителя производят послойно и непрерывно по фракциям, теплоизоляционный слой укладывают из заполнителя фракций 5-16 мм, теплоаккумулирующий слой укладывают из заполнителя фракций 3-10 мм, причем теплоизоляционный слой укладывают толщиной не менее 20 мм, а теплоаккумулирующий слой - толщиной не менее 30 мм и не менее 3,5 диаметров теплового элемента.
Кроме того, тепловой элемент выполняют в виде гофрированной тонкостенной трубки, преимущественно из нержавеющей стали, с возможностью нагрева и передачи полу тепла заданной температуры или посредством направления потока теплоносителя, или посредством нагревательного элемента в виде проволоки или спирали, который помещают вовнутрь теплового элемента и выполняют из жаропрочного и химически стойкого легированного редкоземельными металлами сплава, преимущественно, из нихрома Х20Н80, причем свободное пространство в тепловом элементе заполняют тонкоизмельченной смесью из непроводящих электричество тугоплавких, огнеупорных материалов, преимущественно, оксида магния MgO.
Кроме того, в системе поддержания температуры в сооружении устройство для отопления выполнено в виде нагревательного мата с теплоизоляционным слоем и теплоаккумулирующим слоем, а тепловой элемент выполнены в виде гофрированной тонкостенной трубки и размещен в теплоаккумулирующем слое нагревательного мата, между двумя металлическими сетками, которые установлены на дистанцерах, внутри теплового элемента размещен нагревательный элемент в виде проволоки или спирали, который выполнен из жаропрочного и химически стойкого легированного редкоземельными металлами сплава, а свободное внутреннее пространство теплового элемента заполнено тонкоизмельченной смесью из непроводящих электричество тугоплавких, огнеупорных материалов.
Кроме того, теплоизоляционный слой и теплоаккумулирующий слой выполнены из капсулированного пористого заполнителя, преимущественно керамзита, причем теплоизоляционный слой выполнен из заполнителя фракций 5-16 мм. и толщиной не менее 20 мм., теплоаккумулирующий слой выполнен из заполнителя фракций 3-10 мм. и толщиной не менее 30 мм и не менее 3,5 диаметров теплового элемента.
Кроме того, нагревательный мат выполнен модульным в виде многослойной панели, который предназначен для покрытия подготовленного пола помещения и дальнейшего его нагрева и передачи ему тепла, тепловые элементы уложенных модульных нагревательных матов соединены между собой параллельно или последовательно, а уложенные нагревательные маты образуют обогреваемый пол помещения.
Кроме того, гофрированная тонкостенная трубка теплового элемента выполнена преимущественно из нержавеющей стали, нагревательный элемент выполнен, преимущественно, из нихрома, а внутреннее пространство теплового элемента заполнено керамической смесью, преимущественно оксидом магния MgO.
Кроме того, тепловой элемент нагревательного мата размещен в нем в виде параллельных рядов с шагом 250-350 мм. и ориентирован или вдоль или поперек нагревательного мата.
Технический результат от использования предлагаемого изобретения заключается в повышении теплотехнической эффективности конструкции пола и уменьшении затрат на устройство пола. А также благодаря предложенному решению заданная температура равномерно распределяется по площади пола, прогревая пол до заданной температуры. Использование предлагаемого технического решения позволило создать устройство, содержащее конструкцию для поддержания заданной равномерной температуры поверхности пола.
На фиг. 1 показаны модульные нагревательные маты с вариантами размещения в них тепловых элементов;
на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1;
на фиг. 3-фрагмент сечения здания с «теплым полом» в разрезе.
Создание энергоэффективного и экологичного здания начинают с разработки проекта, в котором закладывают параметры всех элементов здания, условия микроклимата, в том числе вентиляцию и отопление. Большое внимание уделяют поддержания заданной температуры в помещениях здания и сооружения.
Конструктивные элементы сооружения возводят в технологической последовательности, а именно возводят основу здания фундамент 1. На фундаменте 1 монтируют основание 2 и дальше в той же технологической последовательности возводят стены 3, монтируют перекрытие крышу и кровлю (не показаны). В возведенном здании монтируют систему вентиляции и систему отопления и поддержания заданной температуры здания, посредством которых в помещениях создают необходимый микроклимат.
Система поддержания температуры в сооружении содержит устройство для отопления, которое снабжено тепловыми элементами 4, предназначенными для нагрева и передачи полу 5 тепла заданной температуры или посредством направления потока теплоносителя, или посредством нагревательного элемента 6, который выполнен в виде проволоки и/или спирали.
В случае возведения сооружения, предназначенного для создания холодного микроклимата, для хранения продуктов питания, например, промышленных холодильных камер, тепловые элементы 4 после некоторой доработки выполняют также с возможностью охлаждения пола 5 и передачи ему холода заданной температуры посредством направления потока хладагента.
Подобные устройства могут быть также применены в строительстве катков, хоккейных площадок и т.п.
Устройство для отопления помещения выполнено в виде нагревательного мата 7 с теплоизоляционным слоем 8 и теплоаккумулирующим слоем 9, а тепловой элемент 4, выполнен в виде гофрированной тонкостенной трубки, преимущественно из нержавеющей стали, и размещен в теплоаккумулирующем слое 9 нагревательного мата 7 между двумя металлическими сетками 10 и 11, которые установлены на дистанцерах 12.
Внутри теплового элемента 4 размещен нагревательный элемент 6 в виде проволоки или спирали, который выполнен из жаропрочного и химически стойкого легированного редкоземельными металлами сплава, преимущественно из нихрома Х20Н80, а свободное внутреннее пространство теплового элемента заполнено тонкоизмельченной смесью из непроводящих электричество тугоплавких, огнеупорных материалов, преимущественно оксидом магния MgO.
Оксид магния служит проводником тепла от нагревательной проволоки или спирали к стенкам теплового элемента 4. В таком собранном состоянии тепловой элемент 4 проходит радиальную прокатку, в результате чего диаметр его уменьшается, а наполнитель в тепловом элементе 4 уплотняется. Такая технологическая операция позволяет при подаче напряжения на тепловой элемент 4 моментально ему разогреться и долго остывать при отключении электропитания.
Нагревательный мат 7 выполнен модульным в виде многослойной панели, нижний слой которой представляет теплоизоляционный слой 8, а верхний слой - теплоаккумулирующий слой 9. Нагревательный мат 7 предназначен для покрытия подготовленного пола 5 помещения, передачи тепла и дальнейшего его нагрева. Тепловые элементы 4 уложенных модульных нагревательных матов 7 соединены между собой параллельно или последовательно, а уложенные модульные нагревательные маты 7 образуют обогреваемый пол.
Теплоизоляционный слой 8 и теплоаккумулирующий слой 9 выполнены из капсулированного пористого заполнителя, преимущественно керамзита, причем теплоизоляционный слой 8 выполнен из заполнителя фракций 5-16 мм и толщиной не менее 20 мм, а теплоаккумулирующий слой 9 выполнен из заполнителя фракций 3-10 мм и толщиной не менее 3,5 диаметров теплового элемента 4.
Тепловой элемент 4, выполненный параллельными рядами с шагом 250-350 мм, размещен в нагревательном мате 7 и ориентирован или вдоль, или поперек нагревательного мата 7.
Дистанцеры 12 установлены на уже подготовленный теплоизоляционный слой 8, а тепловые элементы 4 с металлическими сетками 10 и 11, установленными на дистанцерах 12, размещены внутри теплоаккумулирующего слоя 9.
Готовый тепловой элемент 4 не боится влаги, механических повреждений и абсолютно безопасен в эксплуатации.
Обогреваемый пол, собранный из нагревательных матов 7 с используемыми тепловыми элементами 4, имеет следующие преимущества:
- он обладает надежностью, потому что нагревательные тепловые элементы 4 выдерживают сверхвысокие механические нагрузки, имеет высокую теплоотдачу при невысоком энергопотреблении, надежен благодаря параллельному соединению тепловых элементов 4 между собой, а именно при отказе одного остальные продолжают работать;
- безопасен, потому что соединение тепловых элементов 4 оснащено герметичными водонепроницаемыми муфтами и имеет двойную изоляцию силового кабеля, что увеличивает механическую защиту и обеспечивает дополнительную электробезопасность;
- универсален, так как нагревательный мат 7 применим как для обогрева, и охлаждения помещений, подъездов, грунта, так и для всех видов уличных площадей и эффективен во всех климатических зонах, поскольку в нем используются незамерзающий теплоноситель, хладагент или электричество, его можно монтировать под любое дорожное покрытие: стяжку, бетон, тротуарную плитку, камень, асфальт, грунт и т.д., и предложенная конструкция дает возможность изготовить и использовать нагревательный мат любого размера.
Энергоэффективные здания сооружают следующим образом.
В технологической последовательности возводят фундамент 1, на возведенный фундамент 1 монтируют основание 2, а после этого возводят стены 3, монтируют перекрытие, элементы крыши и кровлю. После чего приступают к внутренней отделке, монтируя в том числе систему вентиляции и отопления, посредством чего нагревают полы и стены помещения и поддерживают заданную температуру в помещениях сооружения.
В систему отопления сооружения входит устройство для отопления, которое поддерживает заданную температуру в сооружении. Для нагрева пола и передачи ему тепла используют нагревательные маты 7, которые выполняют модульными в виде многослойных панелей, которые укладывают на подготовленное основание 2 с гидроизоляционным теплоотражающим слоем 13 и подключают их к системе энергообеспечения сооружения.
Каждый модульный нагревательный мат 7 снабжают тепловым элементом 4 и выполняют его с теплоизоляционным слоем 8 и теплоаккумулирующим слоем 9, которые изготавливают из рассева на фракции 3-16 мм капсулированного пористого заполнителя, преимущественно керамзита. Пористый заполнитель связывают между собой цементно-клеевым составом только в местах соприкосновения капсул. При этом укладку слоев заполнителя производят послойно и непрерывно по фракциям. Теплоизоляционный слой 8 укладывают из заполнителя фракций 5-16 мм, а теплоаккумулирующий слой 9 - из заполнителя фракций 3-10 мм, причем теплоизоляционный слой 8 выполняют толщиной не менее 20 мм, а теплоаккумулирующий слой 9 - толщиной не менее 30 мм и не менее 3,5 диаметров теплового элемента 4.
Для изготовления нагревательного мата 7 используют форму, в которую сначала укладывают теплоизоляционный слой 8, а затем на него устанавливают дистанцеры 12 и две металлические сетки 10 и 11, между которыми укладывают ранее подготовленный тепловой элемент 4.
После этого укладывают теплоаккумулирующий слой 9. Нагревательный мат 7 готов.
Тепловой элемент 4 выполняют в виде гофрированной тонкостенной трубки, преимущественно из нержавеющей стали, с возможностью нагрева и передачи тепла полу или посредством направления потоков теплоносителя, или хладагента, или посредством нагревательного элемента 6 в виде проволоки или спирали, который помещают вовнутрь теплового элемента 4 и выполняют из жаропрочного и химически стойкого легированного редкоземельными металлами сплава, преимущественно из нихрома Х20Н80. А свободное пространство в тепловом элементе 4 заполняют тонкоизмельченной смесью из непроводящих электричество тугоплавких, огнеупорных материалов, преимущественно оксида магния MgO.
Тепловой элемент 4 независимо от того, как осуществляют передачу тепла полу и дальнейший его нагрев или посредством направления потоков теплоносителя или хладагента, или посредством нагревательного элемента, размещают в нагревательном мате 7 в виде параллельных рядов с шагом 250-350 мм и ориентируют его или вдоль, или поперек нагревательного мата 7.
Изготовленные таким образом нагревательные маты 7 теплоизоляционным слоем 8 укладывают на гидроизоляционный теплоотражающий слой 13 основания 2 и соединяют их между собой параллельно или последовательно посредством герметичных муфт, разъемов и силового кабеля, после этого подключают их к системе энергообеспечения сооружения.
Нагревательный мат 7 изготовлен заданным проектом модульным, то есть размерами, кратными размерам помещения, в котором укладывают готовые маты 7.
Укладкой нагревательных матов 7 строительство здания не заканчиваются, но эта операция является очень важным этапом создания энергэффективных и экологичных зданий.
Использование при укладке слоев нагревательного мата отсева керамзита с небольшим разбросом размера гранул позволяет получить наиболее равномерные заданные теплофизические и конструктивные свойства изделия. Склеивание гранул капсулированного керамзита между собой в монолитный состав происходит за счет активной гидратации цементного клея и обеспечения тепловой защиты уложенного массива смеси. Набор прочности уложенного массива не требует вибрирования, прессования и дополнительной термообработки и происходит при положительных температурах в интервале 15-25 градусов. Для сохранения тепла, выделяемого при гидратации цементно-клеевого состава, свежеуложенный легкий бетон накрывают известными теплоизоляционными материалами.
3
Высокая экологическая чистота таких строительных матов достигается за счет использования экологически чистого природного сырья и малого расхода цементной составляющей, что обуславливает его высокие теплофизические, конструктивные и эксплуатационные свойства, такие как: небольшая объемная масса 450-700 кг/м, хорошая звукоизоляция, хорошие теплофизические свойства, воздухо- и паропроницаемость, равномерные конструктивные свойства, высокая экологическая чистота, высокая огнестойкость и долговечность.
Использование предлагаемого технического решения позволило разработать проект здания и сооружения с поддержанием заданной температуры внутри помещения, разработана система для поддержания заданной температуры в помещении и нагревательный мат, содержащий тепловой элемент для поддержания равномерной температуры поверхности пола.
Устройство регулирования температуры помещения работает не только с внутренними температурными датчиками, но и с наружным температурным датчиком.
Таким образом, предлагаемая система поддержания заданной температуры позволяет создать высокоэффективную систему нагрева или охлаждения пола, применяемую при отоплении жилых и производственных помещений. Она позволяет сократить объем теплоносителя и соответственно уменьшить расходы на топливо и энергию, сократить время нагрева, охлаждения и соответственно время реакции на изменение нагревающих нагрузок, а также упростить конструкцию системы и ее эксплуатацию.