DESIGN OF ENERGY EFFICIENT CONSTRUCTION FENCES WITH PRODUCTS FROM MODIFIEND FIBERS

Abstract

New design models of walls with products of modifi ed fi bers in present conditions of design and operation according with new requirements of building regulations in the light of saving energy resources are viewed. Theory and results of heating calculation of construction fences are provided.

Full Text

Вопросы, связанные с теплозащитой зданий и сооружений, приобрели актуальность в связи с реализацией в России программы энергосбережения в строитель стве. Проектирование ограждающих конструкций энергоэффективных зда ний в настоящее время производится в соответствии со СНиП 23-02- 2003 «Тепловая защита зданий»1. Традиционные строительные материалы (железобетон, кирпич, дерево) не способны в однослойной ограждающей конструкции обеспечить требуемое значение термического сопротивления в районах с умеренным и суровым климатом - оно может быть достигнуто лишь в многослойной ограждающей конструкции. Кроме расчёта на сопротив ление теплопередаче, обязателен расчёт на влажностное состояние. Выпадение конденсата в многослойных ограждающих конструкциях приво дит к повышению влажности строительных и теплоизоляционных материалов и к ухудшению их теплозащитных свойств. Возникает необходимость в расчете влажностного режима строительных конструкций, так как за годовой период эксплуатации здания происходит накопление влаги внутри ограждающей конструкции. По площади наружные стены занимают 50 % от общих площадей ограждений зданий. Классические типы наружных стен претерпевают конструктивные изменения. В основном новые конструктивные ре- шения наружных стен основаны на использовании новых эффективных теплоизоляционных материалов с применением новых технологий. Это касается не только проектирования новых зданий, но и реконструкции старых, когда приходится производить утепление наружных стен. C появлением новых материалов и целых СИСТЕМ ограждающих конструкций большое внимание уделяется пониманию физических процессов, происходящих в наружных стенах, для проектирования и возведения. Были проведены комплексные исследования минеральной ваты на шламоколлоидном, бентоколлоидном и микродисперсном связующем [1-3], а затем теоретические исследования конструкций наружных стен с применением этих утеплителей. Экспериментальные теплоизоляционные минераловатные материалы на шламоколлоидном связующем имеют высокие расчетные характеристики: λ = 0,04 Вт/(м·°С); γ=130 кг/м3; прочность ТИМ на сжатие при 10 % деформации - 40 кПа; класс опасности материала - 4; водостойкости по pH - 2,16. Изделия с использованием минераловатных плит на их основе обладают низкой теплопроводностью, негорючестью, долговечностью; сочетают в себе высокий уровень механической прочности с легкостью, экологическую безопасность с химической стойкостью. Получены зависимости теплофизических свойств модифицированных минераловатных изде- лий от количества добавки и плотности изделия, на основе которых построены номограммы для практического применения (рис. 1). На основе исследований составов и структуры шламов с позиций структурно-энергетических свойств катионов по положению их в таблице Менделеева установлено, что в соответствии с атомной массой, электроотрицательностью, координационном числом, ионным потенциалом и энергией связи шламы можно разделить на две группы: модификаторы и связующие. Алюмокальциевый шлам, имеющий более высокую пористость, будет в большей степени снижать коэффициент теплопроводности, чем карбонатный. Содержание p- и d- элементов в этом шламе повышает адгезионную прочность, термостойкость. Карбонатный шлам поверхностно модифицирует волокна и наполняет структуру ТИМ, понижая паропроницаемость и воздухопроницаемость, практически не снижая теплопроводности. Теоретически обосновано, что алюмокальциевый шлам как типичный минеральный клей (шламоколлоидное связующее) будет создавать более плотный контакт в местах переплетения волокон и тем самым повышать водои коррозионную стойкость по сравнению с бентонитовой глиной (бентоколлоидное связующее) и с карбонатным шламом (микродисперсный модификатор). Для теоретического исследования наружных стен принято шестиэтажное жилое здание в Самаре. Конструкции наружных стен приняты в пяти вариантах, экспериментального утеплителя - в трёх вариантах: минеральная вата на шламоколлоидном, бентоколлоидном и микродисперсном связующем. Слои конструкции наружной стены расположены в порядке убывания сопротивления паропроницанию по ходу движения водяных паров из помещения наружу. Система навесных фасадов включает в себя материалы и изделия, относящиеся к категории негорючих и слабогорючих со слабой дымообразующей способностью, малоопасные по токсичности продуктов горения. Эскизы конструкций стен и варианты утеплителей представлены на рис. 2. Климатические параметры района строительства приняты по СНиП «Строительная климатология и геофизика»2. Методика теплотехнического расчета базировалась на требованиях СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» с применением метода безразмерных характеристик для влажностного режима помещений, разработанного в 1997 г. в Самарском государственном архитектурно-строительном университете проф. Ю.С. Вытчиковым [4]. В основу конструктивных решений наружных стен при определении приведенных сопротивлений теплопередаче главных фрагментов ограждений принимались толщины утеплителя, рассчитанные по формуле , м, (1) где Rreq - требуемое приведенное сопротивление теплопередаче стен, м2·°С/Вт; r - коэффициент теплотехнической однородности; αint - коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающих конструкций, Вт/м²·°С, принимаемый по табл. 7 СНиП 23-02; αext - коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждений, Вт/м²·°С; R1, R2, …, Rn - термические сопротивления отдельных слоев ограждающей конструкции, м2·°С/Вт; Если в расчётах соблюдалось условие Ro ≥ Rreq (табл. 4 СНиП 23-02), то считалось, что конструкция стены удовлетворяет требованиям теплотехнических норм. Если Ro < Rreq, то предлагалось увеличить толщину утепляющего слоя или рассмотреть возможность включения в проект энергосберегающих мероприятий (утепление узлов). Сопротивление паропроницанию стены определялось по формулам: ; . (2) Общее сопротивление паропроницанию всей стены рассчитывалось: . (3) Результаты расчётов вариантов конструкций стен на сопротивление теплопередаче и паропроницанию показаны в табл. 1. Согласно методу безразмерных характеристик, определялись значения переменных i и i на границах слоёв стен по следующим формулам: Рис. 2. Конструкции исследуемых стен: а - вариант с внутренним слоем из кирпича толщиной 0,25 м (λа = 0,7 Вт/м °С), с навесным вентфасадом: 1 - аluсobond; 2 - воздушная прослойка; 3 - утеплитель; 4 - кирпичная кладка; 5 - известково-песчаный раствор; б - вариант с конструктивным слоем из кирпича толщиной 0,51 м (λа = 0,7Вт/м°С). Утепление «изнутри»: 1 - кирпичная кладка; 2 - утеплитель; 3 - гипсокартон; в - вариант с конструктивным слоем из кирпича толщиной 0,38 м (λа = 0,7 Вт/м °С), утепление внутри конструкции стены, снаружи - отделочный слой из керамического кирпича толщиной 120 мм с λа = 0,47 Вт/м °С: 1 - керамический кирпич (облицовочный); 2 - утеплитель; 3 - кирпичная кладка; 4 - известково- песчаный раствор; г - вариант с конструктивным слоем из кирпича толщиной 0,51 м (λа = 0,7 Вт/м °С); утепление внутри конструкции стены, снаружи - отделочный слой из керамического кирпича толщиной 120 мм с λа = 0,47 Вт/м °С (слои аналогично варианту «в»); д - вариант с конструктивным слоем из кирпича толщиной 0,51 м (λа = 0,7 Вт/м °С), утепление «снаружи»: 1 - известковопесчаный раствор; 2 - утеплитель; 3 - кирпичная кладка; 4 - известково- песчаный раствор По результатам расчета влажностного режима наружной стены были построены графики зависимости безразмерного сопротивления паропроницанию (Y) от безразмерного термического сопротивления (Х) и произведено сравнение с кривой Yн, характеризующей значения безразмерного сопротивления паропроницанию для состояния полного насыщения влажного воздуха водяным паром, для вариантов стен 2 и 5 (рис. 3 и 4). Пересечение линий Y и Yн на рис. 3 определило область возможной конденсации водяного пара в толще наружной стены, утеплённой «изнутри», (вариант 2). Плоскость возможной конденсации соответствует максимальному значению разности величин Y - Yн внутри этой области. На рис. 4 пересечения графиков Y и Yн не происходит, это указывает на отсутствие конденсации влаги в конструкции стены, утеплённой «снаружи» (вариант 5). Кривая Yн построена для значений: температуры внутреннего воздуха tint = 20°C и относительной влажности ϕ= 55%. Параметры наружного воздуха приняты средними для наиболее холодного месяца ( ; ϕ= 83%). В варианте 1 конструкции стены наличие влаги ликвидируется воздушной прослойкой. Расчёт на влажностный режим конструкции стены по варианту 2 с утеплением «изнутри» методом безразмерных характеристик представлен дополнительно в табл. 2. Пересечение кривых на рис. 3 подтверждают теоретические исследования, что при утеплении «изнутри» требуется пароизоляционный слой, а проектирование утепления «снаружи» - лучший конструктивный вариант. Анализ расчёта на воздухопроницаемость конструкций стен по вариантам 2 и 3 показал, что запроектированная пароизоляция из полиэтиленовой плёнки, согласно расчётам на паропроницаемость, значительно перекрывает требуемые значения. В стенах, запроектированных по варианту 5, слои штукатурки имеют высокие значения сопротивления воздухопроницанию, поэтому такие стены отвечают предъявленным требованиям. При рассмотрении конструкции стен по варианту 4 исследования и анализ результатов показали, что предлагаемые теплоизоляционные материалы по воздухопроницаемости могут использоваться в зданиях до 19 этажей с утеплителем из минеральной ваты на бентоколлоидном связующем, до 20 этажей - с утеплителем из минеральной ваты на шламокол- лоидном связующем, до 21 этажа - с утеплителем из минеральной ваты на микродисперсном связующем. Для сравнения: в качестве утеплителя минераловатные жёсткие плиты, имеющие сопротивление воздухопроницанию 2 м2ч.Па/кг, можно использовать в зданиях до 19 этажей. Карбонатный шлам модифицирует и наполняет структуру ТИМ, способствуя понижению паропроницаемости и воздухопроницаемости, практически не изменяя теплопроводности. Теоретически обосновано, что алюмокальциевый шлам как типичный минеральный клей (шламоколлоидное связующее) способен создавать более плотный контакт в местах переплетения волокон и тем самым повышать водо- и коррозионную стойкость по сравнению с бентонитовой глиной (бентоколлоидное связующее) и карбонатным шламом (микродисперсный модификатор). Введение шламоколлоидного связующего позволяет снизить теплопроводность практически без увеличения плотности и получить ТИМ с показателями паропроницаемости не ниже 0,35-0,45 мг/(м·ч·Па) и воздухопроницаемости - 0,2-0,25 кг/(м·ч·Па). Теплотехническими расчётами обоснована возможность применения экспериментальных утеплителей в каркасной системе с утеплением «снаружи» с тонкослойной штукатуркой (на шламоколлоидном связующем), в бескаркасной конструктивной системе с утеплением изнутри с облицовкой из кирпича (с микродисперсным модификатором) в соответствии с нормативными показателями по теплозащите и санитарно-гигиеническими требованиями. При проектировании системы с наружным утеплением и тонким штукатурным слоем достигается высокая теплотехническая однородность утеплённых наружных стен. Расчетный экономический эффект от применения в конструкциях наружных стен 16-этажного здания минераловатных изделий на шламоколлоидном связующем в качестве утеплителя снаружи фасадной системы с тонкослойной штукатуркой (до 5 749 040 рублей) позволяет рекомендовать их в качестве наиболее выгодного и эффективного.