СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКОЙ ОДНОРОДНОСТИ ТРЁХСЛОЙНОЙ ОГРАЖДАЮЩЕЙ КОНСТРУКЦИИ ЗДАНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR INCREASING THERMOTECHNICAL HOMOGENEITY OF THREE-LAYER BUILDING ENVELOPE AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области строительства и касается тепловой эффективности ограждающей конструкции здания (наружной стены).
В настоящее время все большее внимание уделяется вопросам энергосбережения в строительстве. Широкое распространение получили многослойные, в частности трехслойные, наружные ограждающие конструкции зданий.
Например, известна конструкция ОАО "ДСК-1", содержащая внутренний и наружный железобетонный слои и расположенный между ними слой тепловой изоляции, при этом внутренний и наружный слои соединены между собой железобетонными шпонками, фрагмент которой приведен на фотографии фигуры 1.
Недостатком этой конструкции являются нежелательные тепловые потоки между наружным и внутренним слоями, идущие через шпонки, что ухудшает теплотехнические характеристики конструкции, ее сопротивление теплопередаче и теплотехническую однородность.
На фигуре 2 приведена термограмма внутренней поверхности трехслойной железобетонной панели, на которой наблюдается падение температуры, вызванное шпонкой.
Согласно ГОСТ 31310-2005 «Панели стеновые трехслойные железобетонные с эффективным утеплителем» номинальные размеры железобетонных перемычек (шпонок) следует принимать не менее 60 мм. При этом рекомендуется соблюдать условие, согласно которому значение коэффициента теплотехнической однородности панелей, определяемого в соответствии со СП 23-101-2004 «Проектирование тепловой защиты зданий» и учитываемого в расчетах сопротивления теплопередаче, должно быть не менее 0,6.
Авторами выполнено математическое моделирование теплового состояния типичной трехслойной конструкции следующих параметров.
2
Наружный слой железобетона толщиной 0,07 м, внутренний толщиной 0,1 м. Слой утеплителя (пенополистирол с коэффициентом теплопроводности 0,039 Вт/мК) толщиной 0,15 м. Железобетонная шпонка толщиной 0,06 м, одна на 1 м стены.
O
2
Результаты моделирования показывают, что сопротивление теплопередаче такой конструкции без учета тепловых потоков по шпонкам равно R=4,09 мК/Вт.
O
2
Шпонка является теплопроводным включением («мостиком холода») и снижает сопротивление теплопередаче до величины R=2,18 мК/Вт, тогда коэффициент теплотехнической однородности r=2,18/4,09=0,53, что меньше значения этой величины, регламентируемой ГОСТ 31310-2005.
Результаты математического моделирования распределения температурных полей в модели трехслойной конструкции панели представлены на фигуре 3.
Известно также техническое решение по авторскому свидетельству СССР №1392225, согласно которому обеспечивается, в соответствии с описанием, «заданная температура на внутренней поверхности панели».
Однако это техническое решение, основанное на увеличении площади контакта шпонки и внутреннего слоя трехслойной панели, лишь приводит к некоторому уменьшению плотности теплового потока и соответствующему повышению температуры на внутренней поверхности панели, что способствует некоторому повышению коэффициента теплотехнической однородности.
Результаты математического моделирования данного технического решения показывают, что оно приводит к уменьшению плотности теплового потока, проходящего через шпонку, и увеличению коэффициента теплотехнической однородности не более чем на 9%.
Предлагается способ повышения теплотехнической однородности, заключающийся в том, что, с целью предотвращения теплового потока по шпонке, в месте примыкания шпонки к внутреннему несущему слою осуществляется нагрев шпонки мощностью, соответствующей тепловому потоку, проходящему по шпонке.
Авторами выполнено двухмерное математическое моделирование предлагаемого технического решения.
O
2
Результаты показывают, что при мощности нагревателя 30 Вт сопротивление теплопередаче на внутренней поверхности образца равно R=4,01 мК/Вт, коэффициент теплотехнической однородности r=4,01/4,09=0,98, что превышает нормируемый показатель.
В графическом виде результаты математического моделирования распределения температурных полей в модели трехслойной железобетонной панели с нагревателем представлены на фигуре 4.
Поскольку разность температур внутренней и наружной стенок ограждения меняется в процессе эксплуатации в зависимости от температуры окружающего воздуха, с целью экономии энергии, мощность нагрева шпонки регулируется по минимизации разности температур в зоне расположения шпонки и вне зоны теплового влияния шпонки.
Устройство для осуществления способа заключается в том, что в месте примыкания шпонки к внутреннему несущему слою расположен нагревательный элемент, например, электрический, мощностью, равной проектному значению максимального теплового потока, соединенный с управляющим его мощностью контроллером, который подключен к датчикам температуры, один из которых установлен в зоне расположения шпонки, а другой в теплотехнически однородной области, на половине расстояния до соседней шпонки.
Устройство поясняется на фигуре 5.
Трехслойная ограждающая конструкция, состоящая из наружного 1 и внутреннего 2 несущих слоев, соединенных шпонкой 3, с расположенным между ними слоем тепловой изоляции 4 снабжена нагревателем 5, например, электрическим, подключенным к контроллеру 6, к которому, в свою очередь, подключены датчики температуры 7 и 8, установленные на внутренней поверхности внутреннего несущего слоя, один из которых расположен в зоне расположения шпонки 3, а другой на половине расстояния до соседней шпонки.
Устройство работает следующим образом.
При включении контроллера 6 последний начинает измерять разность температур между показаниями датчика 7 (более холодного) и датчика 8. Если разность показаний выходит за пределы заданного диапазона, включается на минимальную мощность нагреватель 5, и контроллер увеличивает его мощность до тех пор, пока разность температур по показаниям датчиков 7 и 8 не снизится до заданной уставки, после чего контроллер фиксирует достигнутую мощность. Если из-за изменения температуры наружного воздуха тепловой поток по шпонке изменяется, и разность температур по показаниям датчиков 7 и 8 выходит за пределы заданного диапазона, контроллер 6 соответствующим образом изменяет мощность нагревателя 5 (увеличивает или уменьшает в зависимости от характера изменения температуры наружного воздуха).
На фигуре 6 приведено расчетное подтверждение эффективности работы нагревателя в виде графиков изменения температуры на внутренней поверхности панели в области шпонки и плотности теплового потока при разных значениях мощности нагревателя, регулируемой контроллером по разности температуры между двумя датчиками.
Предлагаемое техническое решение пресекает тепловой поток с теплой стороны и позволяет достичь высокую степень теплотехнической однородности ограждающей конструкции.