INVESTIGATION OF THE EFFECT OF THE DENSITY OF MONOLITHIC EXPANDED-CLAY CONCRETE ON THE ENERGY EFFICIENCY OF BUILDINGS OPERATED UNDER VARIABLE HEAT MODE

Cover Page

Abstract


This article presents the results of a theoretical study of the impact of the density of monolithic expanded clay concrete on the specific energy consumption in the operation of the cottage building in conditions of intermittent heating. In view of the fact that the outer walls are made in the form of well masonry of various materials, in order to simplify the solution of the problem, averaging of their main thermal characteristics is made. In determining the effect of heating the outer wall and the specific energy used the author's approximate analytical method, convenient for engineering calculations. The study showed that the use no-fine expanded-clay lightweight concrete significantly reduces the specific energy consumption compared to conventional large-porous expanded clay. The lowest energy consumption according to the calculation results refers to the minimum density of sandless no-fine expanded-clay lightweight concrete, equal to 300 kg/m3.

Full Text

Снижение энергетических затрат на отопление зданий и сооружений является одной из приоритетных задач современного строительства. Значительная часть жилых и производственных зданий эксплуатируется в настоящее время в условиях переменного теплового режима, вызванного периодическим пребыванием в них людей, а также не круглосуточной работой производственных предприятий. Согласно СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий» в зданиях с периодическим пребыванием людей, к которым относятся загородные коттеджи, лыжные базы, дома вахтовиков и т. д., должны в обязательном порядке выполняться санитарно-гигиенические и комфортные требования к ограждающим конструкциям, а условие энергосбережения на них не распространяется. Несмотря на отсутствие нормативных требований по энергетической эффективности, вопросы экономии тепловой энергии при эксплуатации указанных выше зданий весьма актуальны. Особенность теплотехнического расчета строительных ограждающих конструкций при прерывистом отоплении зданий заключается в том, что в процессе натопа помещений процесс теплопередачи в них является нестационарным. В связи с этим значительная часть тепловой энергии аккумулируется ограждаю- М. Е. Сапарёв, Ю. С. Вытчиков, А. С. Прилепский, М. И. Урядов 51 Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 3 щими конструкциями и лишь незначительная передается в окружающую среду. Обзор научных работ [1-6] по оптимизации прерывистого отопления в жилых зданиях показал, что в настоящее время отсутствует доступная инженерная методика теплотехнического расчета. Аналитические решения рассматриваемой задачи, представленные в работах [1, 2], получены при упрощающих допущениях. Начальная температура стенки в процессе натопа помещения принята равной температуре наружного воздуха. Решения задач нестационарной теплопередачи, приведенные в работах [5, 6], получены численными методами, поэтому воспользоваться ими не представляется возможным при проектировании зданий с прерывистым отоплением. Авторский приближенный аналитический метод определения удельных энергозатрат на натоп помещений и времени нагрева подробно описан в работах [7, 8]. Он позволяет с достаточной для инженерных расчетов точностью выполнить расчет нестационарной теплопередачи в многослойных строительных ограждающих конструкциях без использования специализированных программ. При строительстве малоэтажных зданий керамзитобетон нашел широкое применение в Российской Федерации. К достоинствам данного материала следует отнести его долговечность, экологичность и высокие теплоизоляционные свойства. В работах [9, 10] подробно рассмотрено применение керамзитобетона в строительстве. В качестве теплоизоляционного материала, как правило, используется беспесчаный и крупнопористый керамзитобетон малой плотности. В статье рассматривается применение указанных выше материалов в колодцевой кладке, представленной на рис. 1. Высота колодца составляет 0,5 м, объем заполняемого монолитного керамзитобетона - 0,39×0,75×0,5=0,146 м3. В вертикальной плоскости фрагменты колодцевой кладки (см. рис. 1) связаны между собой цементно-песчаной стяжкой толщиной 10 мм, выполняемой по монтажной сетке. В работе [8] представлены зависимости для определения удельных энергозатрат и времени нагрева для многослойных конструкций, состоящих из слоев, выполненных из однородных материалов. В рассматриваемой кладке промежуточный слой состоит из трех различных материалов - беспесчаного монолитного керамзитобетона, стеновых блоков и цементно-песчаной стяжки. Поэтому в целях упрощения расчета были определены осредненные значения плотности, теплопроводности и теплоемкости, руководствуясь методикой, изложенной в [11]. В качестве примера рассмотрим расчет теплового режима загородного коттеджа, эксплуатируемого в условиях прерывистого отопления. Недельный цикл эксплуатации зданий состоит из четырех характерных стадий: I стадия (0 ≤ τ ≤ τ1) характеризуется эксплуатацией здания при наличии дежурного отопления; II стадия (τ1 < τ < τ2) - стадия натопа помещения; III стадия (τ2 < τ < τ3) - стадия эксплуатации здания при наличии в нем людей; IV стадия (τ3 ≤ τ ≤ τ4) - стадия охлаждения помещения при неработающей системе отопления. В качестве исходных данных температура внутреннего воздуха помещений при дежурном отоплении принята равной tв1 = 12 °C, при расчетном режиме - tв2 = 22 °C. Район строительства - Самарская область. Удельные энергозатраты на нагрев наружной стены в процессе натопа помещений рассчитывались согласно [8] по формуле (1) где ci - удельная теплоемкость i-го слоя стены, кДж/кг·°С; ρ - плотность i-го слоя наружной стены, кг/м3; δi - толщина i-го слоя наружной стены, м; Δτi - изменение температуры i-го слоя наружной стены, °С. где R0 усл - сопротивление теплопередаче глади наружной стены, (м2·°С)/Вт; αв - коэффициент теплопередачи со стороны внутренней поверх- Рис. 1. Сечение по наружной стене: 1 - гипсокартон; 2 - стеновой камень из беспесчаного керамзитобетона производства ООО «Вита-терм»; 3 - беспесчаный монолитный керамзитобетон; 4 - латонит , , , Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 3 52 ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ, ВЕНТИЛЯЦИЯ, КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ ВОЗДУХА, ГАЗОСНАБЖЕНИЕ И ОСВЕЩЕНИЕ ности стены, Вт/(м2·°С); Ri - термическое сопротивление слоя наружной стены, (м2·°С)/Вт. Время нагрева наружной стены определялось по формуле (2) где - удельный тепловой поток, передаваемый от системы отопления, Вт/м2; φ - безразмерный критерий граничных условий. Результаты теплотехнического расчета, выполненного с использованием формул (1) и (2), представлены в табл. 1 и 2 для 5 вариантов исполнения наружных стен. В вариантах 1-3 в колодцы заливается монолитный беспесчаный керамзитобетон плотностью 300, 400 и 500 кг/м3 соответственно, в вариантах 4, 5 - крупнопористый керамзитобетон плотностью 500 и 600 кг/м3. Удельные энергозатраты за неделю эксплуатации здания рассчитывались по формуле QΣ = QI + QII + QIII, лДж/м2, (3) где QI, QII , QIII - удельные энергозатраты на I-III стадиях эксплуатации здания соответсвенно, кДж/м2; QI = qI от ΔτI; QII = Qн; QIII = qIII от ΔτIII, где qI от , qIII от - удельный тепловой поток от системы отопления при эксплуатации здания на I и III стадиях соответственно, Вт/м2; ΔτI - продолжительность работы дежурной системы отопления, с; ΔτIII - продолжительность работы системы отопления на расчетном режиме, с. Таблица 1 Результаты теплотехнического расчета наружных стен загородного коттеджа № варианта исполнения Материал для заполнения колодца Плотность ρ, кг/м3 Средний коэффициент теплопроводности исследуемой кладки λ‾ср, Вт/(м·°С) Сопротивление теплопередаче R0, (м2·°С)/Вт Время прогрева наружной стены τн, ч 1 Монолитный беспесчаный керамзитобетон 398,7 300 0,126 3,36 26,1 2 Монолитный беспесчаный керамзитобетон 477 400 0,134 3,18 29,63 3 Монолитный беспесчаный керамзитобетон 555,1 500 0,145 2,96 30,9 4 Крупнопористый керамзитобетон 555,1 500 0,176 2,48 25,8 5 Крупнопористый керамзитобетон 633 600 0,199 2,23 26,2 Примечание. В знаменателе приведены осредненные значения плотности исследуемой кладки, в числителе - плотности монолитного керамзитобетона. , , М. Е. Сапарёв, Ю. С. Вытчиков, А. С. Прилепский, М. И. Урядов 53 Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 3 Таблица 2 Результаты расчета удельных энергозатрат при недельной эксплуатации загородного коттеджа № варианта исполнения Материал для заполнения колодца Плотность ρ, кг/м3 Энергозатраты, кДж/м2 на прогрев стены QII на компенсацию теплопотерь суммарные QΣ в расчетном режиме QIII в дежурном режиме QI 1 Монолитный беспесчаный керамзитобетон 300 717,7 2674,9 3051 6443,6 2 Монолитный беспесчаный керамзитобетон 400 842,6 2825,3 3221,8 6889,7 3 Монолитный беспесчаный керамзитобетон 500 962,9 3036,1 3465,9 7464,9 4 Крупнопористый керамзитобетон 500 955 3624 5118,4 9697 5 Крупнопористый керамзитобетон 600 1078 4026 5691,9 10796 Результаты расчета удельных энергозатрат, определенных по формуле (3), представлены в табл. 2 и на рис.2. Из приведенных на рис. 2 данных следует, что с увеличением плотности керамзитобетона удельные энергозатраты на отопление здания возрастают. Рис. 2. Зависимость удельных энергозатрат при недельной эксплуатации здания: 1 - беспесчаный керамзитобетон; 2 - крупнопористый керамзитобетон Выводы. 1. Представлена методика расчета удельных энергозатрат на нагрев ограждающих конструкций и компенсации теплопотерь для зданий с прерывистым отоплением. 2. С увеличением плотности монолитного керамзитобетона, заливаемого в колодцевую кладку, увеличивается время нагрева наружных Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 3 54 ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ, ВЕНТИЛЯЦИЯ, КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ ВОЗДУХА, ГАЗОСНАБЖЕНИЕ И ОСВЕЩЕНИЕ стен и повышаются энергозатраты на натоп помещения. 3. При окончательном выборе плотности заливаемого монолитного керамзитобетона необходимо учитывать наряду с теплотехническими характеристиками несущую способность возводимых наружных стен.

About the authors

Mikhail E. SAPAREV

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Yury S. VYTCHIKOV

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Andrey S. PRILEPSKY

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Maxim I. URYADOV

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

References

  1. Ковалевский В.И., Бойков Г.П. Методы теплового расчета экранной изоляции. М.: Энергия, 1974. 199 с.
  2. Семенов Б.А. Нестационарная теплопередача и эффективность теплозащиты ограждающих конструкций зданий. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 1996. 176 с.
  3. Анисимова Е.Ю. Энергоэффективность теплового режима здания при использовании оптимального режима прерывистого отопления // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Строительство и архитектура, 2012. № 38. С. 55-59.
  4. Дацюк Т.А., Ивлев Ю.П., Пухкал В.А. Моделирование теплового режима жилых помещений при прерывистом отоплении // Современные предметы науки и образования. М., 2014. № 6. С.40-45.
  5. Малявина Е.Г., Петров Д.Ю. Сопряженный расчет нестационарного теплового режима водяной системы отопления и здания // Жилищное строительство. 2012. № 6. С. 66-69.
  6. Малявина Е.Г., Асатов Р.Р. Влияние теплового режима наружных ограждающих конструкций на нагрузку системы отопления при прерывистой подаче теплоты // Academia. Архитектура и строительство. 2010. № 3. С. 324-327.
  7. Vytchikov Yu.S., Belyakov I.G., Saparev M.Ye. Investigation of the thermal effect of building envelopes of individual building under intermittent heating // Procedia Engineering. 2016. Т. 153. Pp. 856-861.
  8. Вытчиков Ю.С., Беляков И.Г., Сапарёв М.Е. Математическое моделирование процесса нестационарной теплопередачи через строительные ограждающие конструкции в условиях прерывистого отопления // Международный научно-исследовательский журнал. 2016. № 6 (48). С. 42-48.
  9. Баженов Ю.М., Король Е.А., Ерофеев В.Т., Митина Е.А. Ограждающие конструкции с использованием бетонов низкой теплопроводности. М.: АСВ, 2008. 320 с.
  10. Комиссаренко Б.С. Перспективы развития производства керамзитобетона с учетом современных задач стройиндустрии // Строительные материалы. 2000. № 6. С. 22-23.
  11. Фокин К.Ф. Строительная теплотехника ограждающих частей зданий. М.: АВОК-ПРЕСС, 2006. 256 с.

Statistics

Views

Abstract - 65

PDF (Russian) - 16

Cited-By


Article Metrics

Metrics Loading ...

PlumX

Dimensions


Copyright (c) 2019 SAPAREV M.E., VYTCHIKOV Y.S., PRILEPSKY A.S., URYADOV M.I.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies