СТЕНОВАЯ ПАНЕЛЬ ЗДАНИЯ С ТЕПЛОАККУМУЛИРУЮЩЕЙ ВСТАВКОЙ

Полезная модель относится к области строительства и безопасности нахождения людей, а конкретно к конструкции наружной ограждающей стены, предназначенной для эксплуатации в условиях Крайнего Севера с суровыми климатическими условиями, когда в результате аварии или других причин может перестать функционировать система отопления (теплоснабжения) здания.
Наружная ограждающая стена здания выполняется из пенополистирола с расположенной внутри теплоаккумулирующей вставкой (TAB) из труб, заполненных водой, снаружи стена имеет конструктивные защитные слои из, например, металлопрофиля, а изнутри помещения из ЛДСП или МДФ.
При освоении природных богатств Крайнего Севера, когда большая часть работ выполняется вахтовым методом, наиболее целесообразно и экономически выгодно для проживания работников и организации производственных помещений использовать блок-контейнеры вахтового типа, которые можно доставить к месту установки в разобранном или уже собранном виде (Технология производства блок-контейнеров. Условие доступа: https://arcstroy.ru/tekhnologiya-proizvodstva-blok-kontejnerov. Дата обращения 09.12.2019). Наружные стены у них обычно изготовлены из пенополистирола толщиной 150-200 мм. Снаружи стены покрыты защитным материалом - фанера, металлопрофиль, вагонка, а с внутренней стороны идет улучшенная отделка из плоских листов ЛДСП, МДФ или других материалов. За счет такой конструкции удается создать нормальные условия для деятельности и проживания человека в период отрицательных температур. Блок-контейнеры используются для обустройства вахтовых поселков и зачастую имеют свою систему отопления.
ext
Использование в наружных ограждающих конструкциях теплоизоляционных пеноматериалов приводит к тому, что у самой ограждающей конструкции оказывается очень низкая тепловая инерция D (СП 50.13330.2012. Свод правил. Тепловая защита зданий. СП 50.13330.2012 Тепловая защита зданий. Актуализированная редакция СНиП 23-02-2003 (с Изменением N 1). Здесь под тепловой инерцией ограждающей конструкции D понимают свойство конструкции сохранять относительное постоянство температуры на ее внутренней поверхности при колебании наружной температуры t. По данному показателю ограждения подразделяются на:
безинерционные - при D<1,5;
легкие - при 1,5<D<4;
средней массивности - при 4<D<7;
массивные - при D>7.
Данный показатель D характеризует теплоаккумулирующую способность материалов ограждающей конструкции. Если тепловая инерция конструкции низкая, то при отключении системы отопления в здании с такими наружными ограждающими конструкциями в зимний период времени произойдет за короткий промежуток времени быстрое ее остывание и температура внутри помещений станет отрицательной. Поэтому у строителей всегда стоит задача, как увеличить тепловую инерцию наружной ограждающей конструкции, предназначенной для эксплуатации в суровых климатических условиях. Это позволит повысить безопасность нахождения работников в помещениях при авариях систем отопления.
В качестве примера примем стандартную конструкцию наружной ограждающей стены блок-контейнера, которая показана на фиг. 1. Со стороны наружного воздуха имеется защитный слой из тонкопрофильного металла 1, который защищает теплоизоляционный слой 2 (обычно пенополистирол и др. теплоизоляционные материалы) от атмосферных воздействий в виде дождя, снега, ветра и др. С внутренней стороны, т.е. со стороны помещения, имеется декоративный облицовочный слой 3, выполняемый обычно из многослойной фанеры с облагороженной наружной поверхностью (МДФ плита и др.).
3
ext
Принимая толщину слоя пенополистирола в наружной ограждающей конструкции 200 мм с плотностью 25 кг/м, который обычно используется в блок-контейнерах, и толщину МДФ плиты 20 мм, несложно с учетом данных нормативного документа (СП 50.13330.2012. Свод правил. Тепловая защита зданий. СП 50.13330.2012 Тепловая защита зданий. Актуализированная редакция СНиП 23-02-2003 (с Изменением №1)) подсчитать, что тепловая инерция такой ограждающей конструкции составит D=1,63, что относится к легким ограждающим конструкциям. Если принять температуру наружного воздуха для района города Сургут, где средняя температура наиболее холодной пятидневки с обеспеченностью 0,92 составит t=-45°С (СП 131.13330.2012 Строительная климатология. Актуализированная редакция СНиП 23-01-99* (с Изменениями N 1, 2)), а температуру воздуха внутри помещения блок-контейнера 20°С, то с учетом рекомендаций (СП 50.13330.2012. Свод правил. Тепловая защита зданий. СП 50.13330.2012 Тепловая защита зданий. Актуализированная редакция СНиП 23-02-2003 (с Изменением №1) несложно подсчитать, что при отключении системы отопления внутри блок-контейнера температура на внутренней поверхности наружной ограждающей конструкции уже через 16 часов достигнет 0°С. А дальше она будет понижаться еще ниже. Поэтому жить и работать в таких условиях будет весьма затруднительно.
Известна система поддержания температуры в сооружении (патент 2602225. Российская Федерация, Е04Н 5/00 (2006.01), F24D 3/14 (2006.01) опубл. 20.04.2016. Бюл. №11 и патент 2014139280. Российская Федерация. Е04Н 5/00(2006.1). опубл. 10.11.2016. Бюл. №31), которая заключается в том, что в панель пола в виде нагревательного мата с теплоизоляционным и теплоаккумулирующим слоями, между которыми находятся тепловые элементы, выполненные в виде гофрированных тонкостенных трубок и по которым пропускается горячий теплоноситель или установлены электрические нагреватели, которые позволяют поддерживать заданную температуру на внутренней поверхности панели пола. Однако при отключении системы энергоснабжения (подача электричества или горячего теплоносителя) предлагаемая система работать не будет, что приведет в условиях низких температур окружающего воздуха к понижению температуры внутри помещения вплоть до отрицательных за достаточно короткое время.
Применяемые при данном способе строительства теплоизоляционные материалы, не позволяют иметь высокую тепловую инерцию. Повысить тепловую инерцию наружной ограждающей конструкции можно за счет материалов с более высокой плотностью и влажностью.
Однако это сделать невозможно для таких сооружений как блок-контейнеры из-за полного изменения конструкции наружной ограждающей стены и экономической нецелесообразности ее применения в условиях Крайнего Севера.
Известны системы аккумулирования тепловой энергии, основанные на использовании теплоты фазового перехода, которые активно исследуются, но многие из них в настоящее время находятся еще на стадии разработки и внедрения (Корепанов Е.В. Температурный режим помещения с теплоаккумулирующими материалами в стенах. Опубликовано в журнале Сантехника. Отопление. Кондиционирование. - №10. - 2013. Источник обращения: https://www.c-o-k.ru/articles/temperaturnyy-rezhim-pomescheniya-s-teploakkumuliruyuschimi-materialami-v-stenah). Данная система аккумулирования тепловой энергии заключается в том, что в наружных стенах используются материалы аккумуляторы теплоты с фазовым переходом. В качестве аккумуляторов теплоты используются материалы на основе парафинов с температурой фазового перехода 18-23°С. Они могут быть помещены в микрокапсулы, входящие в состав строительных материалов. Надо отметить, что теплота фазового перехода таких материалов значительно ниже, чем у воды. Распределяя капсулы в строительном материале по всей толщине слоя наружной стены, там где будет отрицательная температура в слое, капсулы работать не будут, т.к. фазового перехода там наблюдаться не будет.
Главными преимуществами теплоаккумулирующих вставок являются высокая тепловая емкость, постоянная рабочая температура и низкое давление. Многие аккумуляторы на основе теплоты фазового перехода относятся к системам, когда в процессе фазового перехода затвердевание-плавление температура материала остается постоянной. Однако многие исследователи почему то не рассматривают применение в ограждающих конструкциях воду, температура фазового перехода у которой 0°С. А ведь вода имеет наибольшую теплоемкость из всех жидкостей и высокую теплоту фазового перехода, равную около 334 кДж/кг. Применение воды в качестве теплоаккумулирующего материала кроме выше сказанного имеет много достоинств: доступность, удобство, инертность, безопасность и многие другие. Хотя ей присущи и недостатки: объем образующейся твердой фазы превышает объем жидкой фазы и другие.
Наиболее близкая по строению и принята за прототип конструкция термоизолирующего чехла с использованием теплоты фазового перехода (см. патент 26934, МПК A61F 7/00 (2000.01), A61F 7/03 (2000.01), A61F 7/10 (2000.01). Дата публикации 10.01.2003. Бюл. №1). Авторы патента предлагают использовать теплоту фазового перехода для поддержания постоянной температуры внутри термоизолирующего чехла при лечении отморожений конечностей в дореактивный и ранний реактивный периоды. В стенке термоизолирующего чехла между слоями ваты они помещают теплоаккумулирующую вставку, заполненную твердым веществом (льдом), позволяющим осуществлять термоизоляцию пораженного сегмента конечности на 24 ч. Однако здесь таким образом предотвращается поступление теплоты снаружи к отмороженной конечности, а сама теплоаккумулирующая вставка находится ближе к поверхности конечности. В предлагаемой стеновой панели с жидкой вставкой из воды, последняя должна быть расположена в плоскости нулевых температур в ограждении при расчетных условиях температуры наружного воздуха и предотвращать она будет потери теплоты к наружному воздуху.
Техническая проблема, решаемая предлагаемой полезной моделью, позволяет в условиях отключения системы энергоснабжения здания при отрицательных температурах наружного воздуха на длительное время сохранить положительную температуру внутри помещений, что позволяет сделать жизнедеятельность людей в таких условиях более безопасной.
Технический результат заключается в сдерживании понижения температуры на внутренней стенке наружной стены за счет использования внутри нее теплоаккумулирующей вставки (TAB) из труб, заполненных водой, которая за счет замерзания при 0°С и использования теплоты фазового перехода увеличивает время промерзания наружной стены при аварии или отключении системы отопления здания. Это позволяет сделать труд работников в условиях низких температур более безопасным.
Решение вышеописанной технической проблемы обеспечения безопасности нахождения работников в зданиях типа блок-контейнер в условиях Крайнего Севера, когда система отопления выходит из строя и не позволяет обеспечить температурные условия внутри помещения при низких температурах наружного воздуха, а для ее ремонта требуется несколько суток, обеспечивается выполнением наружной ограждающей стены с наличием внутри нее теплоаккумулирующей вставки, заполненной водой, как показано на фиг. 2.
На фиг. 2 показана стеновая панель блок-контейнера с теплоаккумулирующей вставкой (TAB) 4, заполненной водой. Стеновая панель имеет со стороны наружного воздуха защитный слой из тонкопрофильного металла 1, затем идут слои пенополистирола 2 и 5, между которыми размещается теплоаккумулирующая вставка 4, заполненная водой.
С внутренней стороны, т.е. со стороны помещения, имеется декоративный облицовочный слой 3, выполнены из многослойной фанеры (МДФ плита и др.). TAB желательно располагать в стеновой панели в месте прохождения нулевой изотермы, которое определяется расчетом с учетом свойств теплоизоляционного материала и климатических условий расположения здания.
TAB может быть выполнена из труб квадратного или другого сечения, изготовленных из растягивающегося материала (например, пластмасса) для компенсации объема воды при ее замерзании, как показано на фиг. 3.
Стеновая панель имеет защитный слой 1 из тонкопрофильного металла, который предохраняет от повреждений слой теплоизоляции 2. Внутри панели находятся трубы 4 TAB, расположенные горизонтально или под небольшим уклоном, которые имеют по концам устройства 6 для заполнения их водой и слива воды. Толщина водяной прослойки в стеновой панели должна быть рассчитана с учетом условий эксплуатации здания и системы отопления.
Расположение TAB внутри стеновой панели определяется расчетом. Если принять условия как для примера, показанного на фиг. 1, для условий города Сургута, при общей толщине слоя теплоизоляции (пенополистирол) 200 мм нулевая изотерма будет проходить на расстоянии 145 мм от наружной поверхности стены. Располагая там TAB, несложными расчетами с учетом проходящих тепловых потоков через стену [2] и аккумулированной теплоты всеми слоями стенки и с учетом фазового перехода воды в лед можно рассчитать, если отключится система отопления, когда на внутренней поверхности стеновой панели будет достигнута температура 0°С.
При толщине TAB с водой 20 мм температура 0°С на внутренней поверхности стеновой панели будет достигнута через 10 суток, а при толщине TAB 50 мм - через 21 сутки. Выигранное время может позволить реанимировать систему отопления и сделать труд работников в условиях Крайнего Севера более безопасным.