ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ СТЕНОВЫХ ОГРАЖДЕНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИЗДЕЛИЙ ИЗ МОДИФИЦИРОВАННОГО ВОЛОКНА

Аннотация

Рассматриваются новые конструктивные реше- ния стен с использованием изделий из модифицирован- ного волокна в современных условиях проектирования и эксплуатации в соответствии с новыми требования- ми строительных норм и правил в свете сбережений топливно-энергетических ресурсов. Приводятся тео- рия и результаты теплотехнического расчёта ограж- дающих конструкций зданий.

Полный текст

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.