Инженерный метод расчета стыков наружных ограждений панельных зданий с учетом фильтрации воздуха

Научно-технический и производственный журнал

-------ЖИЛИЩНОЕ ---

СТРОИТЕЛЬСТВО

УДК 699.86

В.С. БЕЛЯЕВ, канд. техн. наук

ОАО «Центральный научно-исследовательский и проектный институт жилых и общественных зданий (ЦНИИЭП жилища)»

Инженерный метод расчета стыков наружных ограждений панельных зданий с учетом фильтрации воздуха

Дано обоснование нового подхода к оценке влияния фильтрации наружного воздуха с отрицательной температурой к теплозащите зданий, заключающегося в количественном учете (разделении) воздухопроницаемости на поперечную, продольную и общую. Приведен упрощенный расчетный метод оценки влияния поперечной фильтрации наружного, холодного воздуха на теплозащиту наружных стен. Приведен пример теплотехнического расчета теплозащитных качеств горизонтальных стыков при наличии и отсутствии фильтрации воздуха для жилого девятиэтажного дома из однослойных ячеистобетонных панелей.

Ключевые слова: воздухопроницаемость, фильтрация, теплопотери, сопротивление теплопередаче, расход воздуха.

V.S. BELYAEV, Candidate of Sciences

Engineering Method of Calculation of Joints for Panel Buildings External Enclosing Structures

with Due Regard for Air Filtration

A substantiation of a new approach to the assessment of the influence of external air filtration with negative temperature on the heat protection of buildings is made; this method consists in quantitative accounting (division) of air permeability as transversal, longitudinal and total. The simplified method for the assessment of the influence of transversal filtration of external, cold air on the heat insulation of external walls is presented. An example of thermal-technical method for assessment of heat protection properties of horizontal joints for a residential nine-storey house made of one-layer cellular concrete panels, when air filtration is available or not, is given.

Keywords: air permeability, filtration, heat losses, resistance to heat transfer, air flow rate.

До настоящего времени в проектных расчетах не учитывалось влияния фильтрации наружного воздуха на температуру внутренней поверхности наружных ограждений. Это приводило к их отсыреванию, а иногда к промерзанию. Экспериментальные исследования конструктивных элементов зданий, проведенные в лабораторных и натурных условиях, показывают, что теплозащитные качества стен за счет фильтрации наружного воздуха могут понижаться до 50%.

Величина допустимого расхода воздуха J№Ш через стены ограничивается нормативными документами независимо от их теплозащитных качеств. При этом не указывается, какая воздухопроницаемость имеется в виду - общая, продольная или поперечная. Как показали исследования, продольная воздухопроницаемость понижает температуру внутренней поверхности стен в меньшей степени, чем поперечная.

В СП 50.13330.2012 Актуализированная редакция СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» впервые введено правильное понятие «поперечная фильтрация (воздухопроницаемость)».

Исследования стыков бетонных и легких навесных панелей по специально разработанной методике позволили количественно разделить общую воздухопроницаемость на поперечную (сквозную) и продольную. Поперечная воздухопроницаемость легких навесных панелей составляет 0,5-40% от общей (рис. 1).

С целью определения достоверных данных о влиянии продольной и поперечной фильтрации на теплопередачу в элементах наружных ограждений была решена краевая задача уравнения Лапласа. Поскольку это решение оказывается достаточно сложным, далее предлагаются более простые методы расчетов [1-4].

В упрощенном виде формула для определения требуемого сопротивления теплопередаче окна и стыка с учетом воздухопроницаемости (Я^ф) имеет вид:

1

-In

А-1

0,28 cW А-е(-в«>У

где А= (Ты-^/п^ы-^); - минимально допустимая температура внутренней поверхности стыка или окна; для стыка она равна температуре точки росы, для окна 4й=3оС; ¿¡м и - расчетные температуры внутреннего и наружного воздуха; п - коэффициент, равный для стыка 0,9, для трехстворчатых и двухстворчатых окон 0,99, для одностворчатых с одним притвором 1; с - удельная теплоемкость, кДж/(кг оС); Ж - нормируемый расход воздуха через стык 0,5 кг/(м-ч); через окно - 5-6 кг/(м2-ч) для жилых зданий; 5ф - коэффициент фильтрационного теплообмена, равный 0,28 сТТ/Ом, где аы - коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности.

Толщина утеплителя в стыке исходя из требуемого сопротивления теплопередаче стыка Я^Ц. определяется по формуле:

12'2014

41

Расчет конструкций

ц м .1

Научно-технический и производственный журнал

1

где а=53+5р+5„+...; в=5р/Лор; с=Шоз\ ¿=дГ+^~и+Я1+1{2+-+11п; 53, 5р, ...§« - толщины элементов стыка (зазора, ребра и др.) без учета толщины внутренней стены (перекрытия); §пер - половина толщины внутренней стены или перекрытия; Ядр, - сопротивления теплопередаче элементов в сечениях по ребру, зазору и др. (кроме сечения по внутренней стене - перекрытию); 8В - половина толщины внутренней стены - перекрытия; А,ут - коэффициент теплопроводности утеплителя в стыке; ав, ан - коэффициенты теплопередачи внутренней и наружной поверхностей конструкции; ./?!, В.ъ  ^п - термические сопротивления слоев в сечениях по внутренней стене (перекрытию), за исключением термического сопротивления утеплителя в стыке; пк - коэффициент качества теплоизоляции пк = 0,7.

Расчетное сопротивление теплопередаче окон и стыков с учетом воздухопроницаемости, которое должно сравниваться с требуемым (с учетом воздухопроницаемости), будет иным, чем без учета воздухопроницаемости.

£ 6-

2 1,5 1

0,5

1/10 2/20

3/30 4/40 5/50 АР, мм вод. ст.

6/60 7/70 8/80

При этом в формуле для определения приведенного расчетного сопротивления теплопередаче наружного ограждения:

('¡Ш Т'кЛ ) ' аш1

где Ты - температура внутренней поверхности окна или стыка при наличии фильтрации воздуха определяется по формуле:

для окон:

для стыков:

АГ,

Кт=ц (0,28 с Ж

К„

= т1|'028сШ11 +1,

.1/2

где /го11 - приведенное сопротивление теплопередаче без учета воздухопроницаемости; I - протяженность сквозных зазоров в стыке в поперечном направлении; т| - коэффициент, характеризующий конструктивный элемент, может быть принят равным Т|=0,3.

Расчет тепло- и воздухозащитных качеств элементов наружных ограждений зданий с учетом воздухопроницаемости дает возможность определить необходимость конструктивных изменений при получении негативных результатов.

Пример 1.

Рассчитываются тепло- и воздухозащитные качества окон 35-этажного высотного здания в Московской области.

Расчетная разность давлений для помещений первого и второго этажей:

АР=0,55-112,7(14,135—11,82)+0,03-14,135(5-1,85)2=179,8 Па,

где

уей = 3463/(273 - 28) = 14,135 н/м3; = 3463/(273 + 20) = 11,82 н/м3.

Определяем требуемое сопротивление теплопередаче окон при нормируемом расходе воздуха с учетом воздухопроницаемости по формуле (1):

где

3 + 28

0,99

= 0,65.

Рис. 1. Зависимость от разности давлений общего (1, 2) и поперечного (1, 2) расхода воздуха: 1, 1' — верхний шов горизонтального стыка лоджии легких навесных панелей; 2, 2' — то же, нижний; 3 — через стыковой шов над перекрытием с неутепленным устьем трехслойных керамзитобетонных панелей без утепляющего вкладыша; 4 — то же, с утепленным устьем; 5 — через стыковой шов под перекрытием с неутепленным устьем; 6 — то же, с утепленным устьем; 7 — через стыковой шов с утепляющим вкладышем с правой стороны внутренней стены; 8 — то же, с левой стороны внутренней стены

Определяем расход воздуха w через окно при расчетной разности давлений АР=179,8 Па и коэффициенте воздухопроницаемости /=0,86 кг/(м2-ч) (10 Па)0 67 из данных сертификационных испытаний:

ъ = / • АР0,67 = 0,86 • 179,

^ 0,86 • 31,85 = 27,4 кг/(м2-ч).

Определяем температуру внутренней поверхности окна с учетом фактической воздухопроницаемости по формуле (4):

Научно-технический и производственный журнал

где

<,= 20-1^^-|-3,05 = -11,16°С, 0,54-8,7.

К = 0,3(0,28 • 27,4 • 0,54)3/2 + 1 = 3,05.

Приведенное сопротивление теплопередаче по формуле (3):

^=(2ofn,l26)8,7=0-177 м2•OC/Bт,

что ниже требуемого /?£ф=0,41 м2^°С/Вт.

Следовательно, надо уменьшать расход воздуха через окна, что достигается увеличением сопротивления окна воздухопроницанию.

Пример 2.

Требуется проверить теплозащиту стыков с учетом воздухопроницаемости для жилого дома в Москве.

Панели толщиной 0,35 м трехслойные, внешние слои из керамзитобетона, плотностью 1600 кг/м2; утеплитель - ми-нераловатные плиты плотностью 100 кг/м3. Стыки с оклееч-ной воздухоизоляцией. Расход воздуха через 1 п. м. стыка 0,5 кг/(м-ч).

Определяем требуемое сопротивление теплопередаче стыка панелей с учетом воздухопроницаемости, равной 0,5 кг/(м-ч), по формуле (1):

рек

1

-In -

0,895-1

1,18 м-С7Вт;

5 со

20

40

60

80

100

АР, Па

Рис. 2. График зависимости поперечной (сквозной) (1—5) и общей (6) воздухопроницаемости от разности давлений для открытых утепленных стыков бетонных панелей: 1 — горизонтальных без воздухоизоляции; 2 — сопряжений и вертикальных стыков без воздухоизоляции; 3 — горизонтальных с поперечной воздухоизоляцией; 4 — сопряжений с воздухоизоляцией; 5—6 — горизонтальных и вертикальных с воздухоизоляцией

оф 0,28 1 0,5 0,895-е^,28°,5/8,7) Л = (10,7+28)/0,9 (20+28)=0,895.

Требуемая минимальная толщина утеплителя:

с ___Г0Д6 • 0,56 -1,18(0,045 • 0,56 + 0,034 - 0,56 + ОД 1)1 Л,

8-=0'045 -0,7-[1,18-(0,045 + 0,034)-0,16]-М.

Приведенное сопротивление теплопередаче стыка без учета воздухопроницаемости равно 1,3 м2оС/Вт, а с учетом фильтрации воздуха:

^^202Л+5,48)8,7=1'19М2-СО/ВТ,

где температура внутренней поверхности:

_ _on f20 + 28f„ ^0,28-1-0,5-l^t'5, Li < A °г

Таким образом, температура внутренней поверхности в углу 15,4оС с учетом поперечной (сквозной) фильтрации воздуха выше допустимой, а расчетное приведенное сопротивление теплопередаче выше требуемого.

Другим методом определения температуры в углу стыков, учитывая поперечную воздухопроницаемость, нормируемую СП 50.13330.2012, и продольную (общую), можно считать приведенный ниже способ расчета.

Формула, с помощью которой можно рассчитать температуру внутренней поверхности стыков T*tCT при наличии поперечной (сквозной) и общей (включая и продольную) фильтрации наружного воздуха, имеет вид:

где ^ - расчетная температура наружного воздуха; Д*=*лй-*ав - разница расчетной температуры внутреннего и наружного воздуха; м> - расход воздуха через стык, кг/мч. Принимается по экспериментальным данным или по графикам (рис. 1, 2) в зависимости от расчетной разности давлений:

При несквозном проветривании устья открытых стыков величина расхода воздуха по рис. 2 уменьшается на 40%; с - удельная теплоемкость, кДж/(кг оС); п - коэффициент, принимаемый в зависимости от расхода воздуха w (таблица); ^ - теплоотдача внутренней поверхности стыка.

Температура внутренней поверхности стыка Т^ст должна удовлетворять следующему условию:

Tint ст > Тр,

где Тр - температура точки росы, оС.

w, кг/(чм) n W, кг/(чм) n

0-0,45 0,99 0,98 4-5 0,93 0,81

0,45-0,8 0,98 0,96 5-5,7 0,92 0,77

0,8-1,6 0,97 0,93 5,7-6,5 0,91 0,73

1,6-2,5 0,96 0,9 6,5-7,4 0,9 0,69

2,5-3,3 0,95 0,87 7,4-8,3 0,89 0,65

3,3-4 0,94 0,84 8,2-9 0,88 0,61

Примечание. Над чертой - с учетом общей воздухопроницаемости; под чертой - с учетом поперечной (сквозной) воздухопроницаемости.

12 2014

43

6

4

2

0

Расчет конструкций

ц м .1

Научно-технический и производственный журнал

©

т =20-

52-2

- = 13°С,

1,15-8,1

1 +

/8/751 V 2,04

,08

Рис. 3. Горизонтальный стык между однослойными пенобетонны-ми панелями: 1 — гернит; 2 — мастика; 3 — цементно-песчаный раствор уо = 1800кг/м3; 4 — пенопласт уо = 150кг/м3; 5 — затирка раствором; 6 — железобетонное перекрытие уо = 2500 кг/м3; 7 — панель

Если это условие не выполняется, то стык либо утепляется, либо воздухоизолируется.

Пример теплотехнического расчета.

Для жилого 9-этажного дома из однослойных ячеисто-бетонных панелей толщиной 0,35 м, проектируемого для строительства в Нижнем Новгороде (условия эксплуатации Б), требуется определить теплозащитные качества горизонтальных стыков при наличии и отсутствии фильтрации воздуха при температурах tк = -32оС и ¿„ = 20оС.

Расчетная разность давлений для данных условий составляет 56 Па.

Схема конструкции рассчитываемого горизонтального стыка приведена на рис. 3. Расчет вертикальных стыков производится аналогично расчету горизонтальных стыков (рис. 4). Стык утепленный, открытого типа со сквозным проветриванием устья, утеплитель - пенопласт плиточный (ПС-1-СТУ 9-91-61), торцовая часть панели затерта раствором условной толщиной б = 0,005 м.

Определяется приведенное сопротивление теплопередаче горизонтального стыка при расчетных коэффициентах теплопроводности бетона.

Определяется температура внутренней поверхности стыка при отсутствии фильтрации:

где: 1,15 - приведенное сопротивление теплопередаче стыка при отсутствии фильтрации воздуха.

Рис. 4. Вертикальный стык между однослойными пенобетонными панелями: 1 — воздухоизоляция; 2 — гернит; 3 — мастика; 4 — пенопласт

Проверяется условие достаточности теплозащитных качеств стыка. Температура точки росы при = 20оС и фв = 55% равна 10,7оС.

Следовательно, Твст = 13оС > 10,7оС. При отсутствии фильтрации теплозащитные качества стыка удовлетворительны.

Рассчитывается температура внутренней поверхности горизонтального стыка при наличии поперечной воздухопроницаемости / = 4,5 кг/(чм), определенной по рис. 2, при расчетной разности давлений 56 Па и при = -32оС:

вст е1-4,51Д5_1 ~~ 3>-'

Таким образом, теплозащитные качества стыка неудовлетворительны; необходимо либо утеплять стык, либо воз-духоизолировать его.

Выполняется расчет стыка с учетом оклеечной воздухо-изоляции типа «Герлен». Рассчитывается температура внутренней поверхности горизонтального стыка при наличии поперечной воздухопроницаемости стыка, равной 0,54 кг/(мч), определенной по рис. 2:

52.(е1 0.54(1,15-0,0945)_ ^0 96

тФ __-_—_=12 1°Г

вст ^^ е10,541,15 — 14,1

Теплозащитные качества стыка удовлетворительны.

Заключение.

Теплозащитные качества элементов наружных ограждений следует оценивать как минимум с учетом поперечной воздухопроницаемости.

В СП 50.13330.2012 Актуализированная редакция СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» следует внести также понятие «продольная и общая воздухопроницаемость» и оценивать теплозащитные качества элементов наружных ограждений в дальнейшем с учетом всех видов фильтрации воздуха.

Методику расчета следует ввести в Пособие к СП 50.13330.2012.

3

2

4

Научно-технический и производственный журнал

-------ЖИЛИЩНОЕ ---

СТРОИТЕЛЬСТВО

Список литературы

1. Беляев В.С. Методики теплотехнических расчетов наружных ограждений с рекуперацией трансмиссионного и вентиляционного теплового потока // Жилищное строительство. 2014. № 1-2. С. 21-26.

2. Беляев В.С. Наружные ограждающие конструкции с рекуперацией трансмиссионного тепла // Жилищное строительство. 2013. № 8. С. 10-21.

3. Шапиро Г.И., Шапиро А.Г. Расчет прочности платформенных стыков панельных зданий // Промышленное и гражданское строительство. 2008. № 1. С. 55-57.

4. Корниенко С.В. Совершенствование конструктивного решения светопрозрачных ограждений при оценке теплопо-терь // Строительные материалы. 2010. № 6. С. 72-73.

References

1. Belyaev V.S. Techniques of heattechnical calculations of external protections with recovery of a transmission and ventilating thermal stream. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2014. No. 1-2, pp. 21-26. (In Russian).

2. Belyaev V.S. External Enclosing Structures with Recuperation of Transmission Heat. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2013. No. 8, pp. 10-21. (In Russian).

3. Shapiro G.I., Shapiro A.G. Calculation of durability of platform joints of panel buildings. Industrial and civil engineering. 2008. No. 1, pp. 55-57. (In Russian).

4. Korniyenko S.V. Improvement of the constructive solution of translucent protections at an assessment of heatlosses. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2010. No. 6, pp. 72-73. (In Russian).

Как подготовить к публикации научно-техническую статью

Журнальная научно-техническая статья - это сочинение небольшого размера (до 3-х журнальных страниц), что само по себе определяет границы изложения темы статьи. Необходимыми элементами научно-технической статьи являются:

- постановка проблемы в общем виде и ее связь с важными научными или практическими задачами;

- анализ последних достижений и публикаций, в которых начато решение данной проблемы и на которые опирается автор, выделение ранее не решенных частей общей проблемы, которым посвящена статья;

- формулирование целей статьи (постановка задачи);

- изложение основного материала исследования с полным обоснованием полученных результатов;

- выводы из данного исследования и перспективы дальнейшего поиска в избранном направлении.

Научные статьи рецензируются специалистами. Учитывая открытость журнала «Жилищное строительство» для ученых и исследователей многих десятков научных учреждений и вузов России и СНГ, представители которых не все могут быть представлены в редакционном совете издания, желательно представлять одновременно со статьей отношение ученого совета организации, где проведена работа, к представляемому к публикации материалу в виде сопроводительного письма или рекомендации.

Библиографические списки цитируемой, использованной литературы должны подтверждать следование автора требованиям к содержанию научной статьи. НЕ РЕКОМЕНДУЕТСЯ:

1. Включать ссылки на федеральные законы, подзаконные акты, ГОСТы, СНиПы и др. нормативную литературу. Упоминание нормативных документов, на которые опирается автор в испытаниях, расчетах или аргументации, лучше делать непосредственно по тексту статьи.

2. Ссылаться на учебные и учебно-методические пособия; статьи в материалах конференций и сборниках трудов, которым не присвоен ISBN и которые не попадают в ведущие библиотеки страны и не индексируются в соответствующих базах.

3. Ссылаться на диссертации и авторефераты диссертаций.

4. Самоцитирование, т. е. ссылки только на собственные публикации автора. Такая практика не только нарушает этические нормы, но и приводит к снижению количественных публикационных показателей автора.

ОБЯЗАТЕЛЬНО следует:

1. Ссылаться на статьи, опубликованные за последние 2-3 года в ведущих отраслевых научно-технических и научных изданиях, на которые опирается автор в построении аргументации или постановке задачи исследования.

2. Ссылаться на монографии, опубликованные за последние 5 лет. Более давние источники также негативно влияют на показатели публикационной активности автора.

Несомненно, что возможны ссылки и на классические работы, однако не следует забывать, что наука всегда развивается поступательно вперед и незнание авторами последних достижений в области исследований может привести к дублированию результатов, ошибкам в постановке задачи исследования и интерпретации данных.

ВНИМАНИЕ! С 1 января 2014 г. изменены требования к оформлению статей. Обязательно ознакомьтесь с требованиями на сайте издательства в разделе «Авторам»!

Статьи, направляемые для опубликования, должны оформляться в соответствии с техническими требованиями изданий:

- текст статьи должен быть набран в редакторе Microsoft Word и сохранен в формате *.doc или *.rtf и не должен содержать иллюстраций;

- графический материал (графики, схемы, чертежи, диаграммы, логотипы и т. п.) должен быть выполнен в графических редакторах: CorelDraw, Adobe Illustrator и сохранен в форматах *.cdr, *.ai, *.eps соответственно. Сканирование графического материала и импортирование его в перечисленные выше редакторы недопустимо;

- иллюстративный материал (фотографии, коллажи и т. п.) необходимо сохранять в формате *.tif, *.psd, *.jpg (качество «8 - максимальное») или *.eps с разрешением не менее 300 dpi, размером не менее 115 мм по ширине, цветовая модель CMYK или Grayscale.

Материал, передаваемый в редакцию в электронном виде, должен сопровождаться: рекомендательным письмом руководителя предприятия (института); лицензионным договором о передаче права на публикацию; распечаткой, лично подписанной авторами; рефератом объемом не менее 100 слов на русском и английском языках; подтверждением, что статья предназначена для публикации в журнале «Жилищное строительство», ранее нигде не публиковалась и в настоящее время не передана в другие издания; сведениями об авторах с указанием полностью фамилии, имени, отчества, ученой степени, должности, контактных телефонов, почтового и электронного адресов. Иллюстративный материал должен быть передан в виде оригиналов фотографий, негативов или слайдов, распечатки файлов.

В 2006 г. в журнале «Строительные материалы» был опубликован ряд статей «Начинающему автору», ознакомиться с которыми можно на сайте журнала www.rifsm.ru/files/avtoru.pdf

Подробнее можно ознакомиться с требованиями на сайте издательства http://rifsm.ru/page/7/

12'2Q14 [45