Енергозберігаючі фасадні конструкції

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ

УНІВЕРСИТЕТ БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ЕНЕРГОЗБЕРІГАЮЧІ ФАСАДНІ КОНСТРУКЦІЇ

Спеціальність: Будівельні конструкції, будівлі та споруди

ФУРСОВ ЮРІЙ ВАСИЛЬОВИЧ

Харків, 2009 рік

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Генеральним напрямом в області будівництва України є енерго-ресурсозбереження, одним з шляхів реалізації якого є утеплення фасадних конструкцій із застосуванням теплоізоляційних матеріалів. Близько 68% тепловтрат будівель відбувається через огороджувальні конструкції. З них до 67% через стіни, горища і підлоги і 33% через вікна і двері. Підвищення теплозахисних якостей стінних огороджувальних конструкцій полягає в збільшенні їх опору теплопередачі до нормативних значень, що діють в даний час.

У практиці улаштування додаткового теплозахисту стін існує два основні способи його розташування: із зовнішньої або з внутрішньої сторони стіни. Обидва способи вимагають проведення спеціальних теплотехнічних розрахунків, що гарантують відсутність появи вогкості стін, яка приводить до втрати ефективності теплозахисту і несприятливого температурно-вологісного режиму з санітарно-гігієнічної точки зору.

Внутрішній теплозахист поверхні стіни існуючих будівель часто є єдино можливим, коли він може бути встановлений не у всіх, а лише у деяких приміщеннях будівлі, коли при цьому не міняється зовнішність будівель з складними фасадами, що представляють художню або історичну цінність. Проведення робіт по улаштуванню теплозахисту може проводитись у будь-який час року, при цьому, на відміну від систем зовнішнього утеплення, не потрібні засоби підмащування.

Досягається істотне зниження вартості реконструкції і термінів її виконання в порівнянні із способом зовнішнього утеплення.

Враховуючи реальну небезпеку допущення конденсації водяної пари в стіні при невірному способі обладнання внутрішнього захисту, вказівка Державного комітету України по енергозбереженню про необхідність проведення спеціальних теплофізичних розрахунків і технічних рішень повинна обов'язково дотримуватися.

Застосування внутрішнього утеплення безпосередньо пов'язане з проблемою реконструкції і термоновації існуючого житлового фонду, зокрема житлових будинків 1950-1960-х років. В даний час при енергетичній кризі, що загострилась, в Україні мешканцям цих будинків потрібна екстрена допомога в доступному утепленні приміщень. Це завдання може бути вирішено шляхом розробки і впровадження ефективних енергозберігаючих фасадних конструкцій на основі внутрішнього утеплення.

Недостатня вивченість поведінки цих конструкцій вимагає удосконалення теоретичної і експериментальної наукової бази, що гарантує необхідний рівень безпеки термоновації даним способом. Вибрана тема дисертаційної роботи сприяє вирішенню актуальної для України проблеми енерго - ресурсозбереження - генеральному напряму технічної політики в області будівництва.

Зв'язок з науковими програмами. Робота виконувалась відповідно до координаційного плану науково-дослідних робіт за держбюджетною темою “Вогнестійкість статично невизначених залізобетонних конструкцій будівель та споруд” (№ держреєстрації 0106U000165) і плану МОН України за темою «Розробка наукових основ підвищення ресурсу фасадних систем при новому будівництві і реконструкції» (№ держреєстрації 0209U005641).

Метою дослідження є створення теоретичних основ проектування енергозберігаючих фасадних конструкцій житлових будівель із застосуванням внутрішнього способу утеплення.

Задачі дослідження:

1. Провести аналіз температурно-вологісного стану огороджувальних конструкцій за наслідками натурних обстежень стану найбільш поширених житлових будівель у м. Харкові;

2. Розробити уточнену методику розрахунку температурно-вологісного режиму огороджувальних конструкцій, зокрема із застосуванням внутрішнього утеплення, що дозволяє виявити і усунути зони конденсації, запроектувати раціональні енергозберігаючі конструктивні рішення;

3. На основі розробленої методики запропонувати нові конструктивні способи внутрішнього утеплення огороджувальних конструкцій і виявити раціональні існуючі варіанти утеплення з урахуванням нових утеплювачів і захисних мембран;

4. Розробити методику проведення натурних експериментів запропонованих конструктивних рішень утеплення на основі використання сучасного устаткування і розроблених вимірювальних пристроїв;

5. Провести натурні експерименти розроблених конструктивних рішень на реальних об'єктах житлових будівель;

6. Розробити пропозиції по вдосконаленню фасадних конструкцій і упровадити їх в проектування і будівництво.

Об'єкт дослідження - теплова ізоляція будівель.

Предмет дослідження - енергозберігаючі фасадні конструкції житлових будівель із застосуванням способу внутрішнього утеплення.

Методи дослідження - аналітичні і чисельні методи вирішення завдань будівельної фізики - теплопровідності, паропроникливості, методи натурного експерименту.

Апробація роботи. Основні результати роботи доповідалися на наукових конференціях ХДТУБА 2004-2009 рр.

Публікації. Основний зміст роботи опублікований у 5 наукових роботах у виданнях, затверджених ВАК України.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, 4 розділів, що включають експериментальну і теоретичну частини, висновків, списку використаних джерел з 141 найменувань. Вона містить 181 сторінки, зокрема 169 сторінки машинописного тексту, 52 рисунка, 9 таблиць.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми, мета та задачі дослідження, показана наукова новизна та практичне значення дослідження.

У першому розділі проведено аналітичний огляд конструктивних рішень фасадних конструкцій, методів утеплення, аналіз вітчизняних і зарубіжних нормативних документів, стани огороджувальних конструкцій в Україні, методів їх розрахунку. Проаналізовані принципи підходу до оцінки теплового захисту, які викладені у Євронормах.

Енергетична криза 1972 р. в Західній Європі створила передумови для розвитку технологій багатошарових фасадних теплоізоляційних систем ETICS (External Thermal Insulation Composite Systems - зовнішні теплові системи композиту ізоляції), що забезпечують до 25% економії тепла. Це призвело, зокрема, до появи нового науково-експериментального напряму в будівництві, пов'язаного з поняттям "Будівля з ефективним використанням енергії". Проведений короткий історичний огляд подій на ринку EТIFS, рівня теплового захисту будівель в Росії і в Україні.

В Україні випущені державні будівельні норми ДБН В.2.6-31:2006 «Теплова ізоляція будівель», у яких мінімальні значення опору теплопередачі для кожного виду огороджувальних конструкцій значно підвищені. Зокрема для огороджувальних конструкцій житлових і громадських будівель мінімальне допустиме значення опору теплопередачі Rq min для зовнішніх стін зросло до 2,8 для 1-ї зони і до 2,0 (м. ка/К)/Вт - для 4-ї кліматичної зони України. Методи оцінки ефективності енергозберігаючих технологій розроблені Савицьким М.В., Юрченко Є.Л., Швецом Н.А., Самаріним О.Д., Сахаровим Г.П.

В результаті виконаного аналізу визначені і сформульовані задачі даних досліджень.

Другий розділ присвячений розробці уточненої методики розрахунку розподілу температури і парціального тиску водяної пари по перерізу будівельних конструкцій, виходячи з фундаментальних рівнянь теплопровідності і граничних умов ДБН В.2.6-31:2006. Особливістю методики розрахунку є застосування основної форми представлення багатошарової тепло - вологісної системи в координатах “t - x” і “P - x” і трьох допоміжних форм представлення: в координатах “t - Rt” і “P - Rt”, в координатах “t - Re” і “P - Re” і в координатах “P - t”.

Математичне формулювання задачі:

Розрахунок розподілу температури в огороджувальних конструкціях, що складаються з декількох шарів матеріалів зі своїми коефіцієнтами теплопровідності, при одномірному стаціонарному тепловому потоці проводиться з вирішення системи рівнянь (1), (4), (6), (8), (10), (11) з граничними умовами IV роду на контакті (3), (5), (7), (9) і граничними умовами III роду (2), (12) на внутрішній і зовнішній межах конструкції. Граничні умови III роду визначаються по ДБН: бв = 8,7 Вт/(м. кв.?С), бн = 23 Вт/(м. кв.?С), для житлових будинків tв = 20?С, для 1 кліматичної зони tн = - 22?С. При постійних коефіцієнтах теплопровідності в кожному шарі вирішення системи рівнянь (1)…(12) приводить до лінійного розподілу температури в кожному з шарів.

Розрахунок розподілу парціального тиску e для багатошарових огороджувальних конструкцій проводиться з вирішення системи рівнянь аналогічних (1).(12) з граничними умовами IV роду на контакті шарів і I роду на внутрішній і зовнішній межах конструкції. Для житлових будівель розрахункове значення вологості повітря в приміщеннях приймається ?в = 55%. Парціальний тиск водяної пари зовнішнього повітря визначається по СНиП 2.01.01-82 „Строительная климатология” для періоду найбільш холодного місяця року, Па.

Враховуючи лінійний характер розподілу пружності водяної пари по товщині кожного шару при постійних коефіцієнтах паропроникності мi, рішення може бути записане у вигляді простих формул шляхом введення поняття «опору паропроникненню».

Визначення наявності конденсації в огорожі проводиться на основі отриманих рішень теплопровідності і паропровідності. В основній формі представлення багатошарової тепло - вологісної системи в координатах “t - x” і “P- x” приведені графіки розподілу температури t, парціального тиску водяної пари е і максимальній пружності водяної пари Е в перерізі огорожі. Кількість вологи конденсату в огорожі визначається по різниці кількостей водяної пари, що притікає до зони конденсації і йде від неї.

Для розрахунку розроблений графічний метод не є зручним. Гуревичем М.А. запропоновано аналітичний спосіб рішення задачі, що використовує четверту форму представлення багатошарової системи в координатах “P - t”. Графік розподілу максимальної пружності водяної пари Е в цих координатах є дійсною функцією температури, наприклад, а графік парціального тиску водяної пари е є ламаною лінією. Для лінеаризації графіка парціального тиску водяної пари е запропонований спосіб визначення умовних температур, що визначають координати приведених значень ев і ен в цій системі, через яких проводяться дотичні до кривої Е(t).

Для визначення дійсної зони конденсації в багатошарових огорожах запропонований аналітичний спосіб, що використовує третю форму представлення багатошарової тепло - вологосної системи в координатах “t - Re” і “P - Re”.

Аналогічно отримаємо координату кінця зони конденсації в i-му шарі. На основі розробленого алгоритму розрахунку для найбільш широко поширеної багатошарової системи утеплення по уточненій методиці створена комп'ютерна програма, що дозволяє швидко проводити аналіз різних ситуацій для вибору ефективних рішень фасадів.

Розроблено метод розрахунку температурно-вологісного режиму в огороджувальних двомірних і тримірних системах на основі теорії подоби, що дозволяє використовувати існуючі комп'ютерні програми для плоских і тримірних задач теплопровідності при визначенні полів пружності водяної пари за допомогою критерію "1".

Довільно вибираючи два множники аналогового перетворення з рівняння, обчислюємо третій і формулюємо задачу теплопровідності, що відповідає задачі паропровідності. Поле пружності водяної пари одержуємо шляхом множення отриманих температур на множник перетворення Кt.

Визначення конденсації в товщі конструкції проводиться шляхом накладення полів парціальних тисків е на поля максимальної пружності Е і аналізу умов виникнення зон конденсації в плоскій задачі за допомогою Булевих функцій. На основі розробленої методики розрахунку запропоновані нові конструктивні рішення внутрішнього утеплення огороджувальних конструкцій:

1. Спосіб внутрішнього утеплення огороджувальних конструкцій з мінімізацією втрати корисної площі приміщень полягає в тому, що утеплювач установлюється із внутрішньої сторони поверхні огородження, захищається паробар'єром з тепловідбивною поверхнею, зверненої у бік приміщення, повітряним прошарком і захисним листом матеріалу, наприклад, гіпсокартоном (Заявка на винахід а 200900539);

2. Спосіб утеплення зовнішнього огородження шляхом установки утеплювача із внутрішньої сторони, що відрізняється тим, що утеплювач підбирається зі зниженою паропроникністю з умови відсутності конденсації водяної пари усередині огородження й захищається шаром листового матеріалу або штукатурки (Деклараційний патент на винахід UA 44080 A, 6 E04B 1/76).

Виявлено раціональні існуючі варіанти внутрішнього утеплення:

1. Спосіб пристрою паробар'єру з розрахунковим опором паропроникності перед утеплювачем, установленим із внутрішньої сторони стіни;

2. Спосіб застосування цегельної кладки з підвищеною паро проникністю;

3. Спосіб пристрою між утеплювачем і стіною повітряного прошарку із забором повітря із приміщення у підлоги й випуску в це ж приміщення у стелі;

4. Спосіб застосування штукатурки зі зниженою паро проникністю;

5. Спосіб застосування спеціальних шпалер з низькою паропроникністю і низкою теплопровідністю;

6. Спосіб двостороннього підвищення опору променистому теплообміну й паропроникненню.

Впровадження способу внутрішнього утеплення огороджувальних конструкцій з мінімізацією втрати корисної площі приміщень показано у розділі 3.

Для утеплення керамзитобетонної стіни застосовані наступні матеріали: утеплювач - пінополістирольні плити щільністю с = 50 кг/м. куб., з коефіцієнтом теплопровідності л = 0,04 Вт (м?С) і коефіцієнтом паропроникності µ = 0,05 мг/(мгодПа). Застосований паробар'єр - Ютафол Н 96 Сильвер (опір паропроникненню Rе = 14 (м. кв./год Па)/мг) з тепловідбивною поверхнею, зверненою у бік приміщення. Замкнутий повітряний прошарок товщиною 15 мм у поєднанні з однобічною відбивною ізоляцією паробар'єру утворить додатковий опір теплопередачі Rt = 0,34 (м. кв.?С) /Вт. Захисним матеріалом із внутрішньої сторони служать гіпсокартонні листи (с = 800 кг/м. куб., л = 0,19 Вт / (м?С), µ = 0,05 /(мгодПа)). Опір теплопередачі стіни R?пр = 2,8748 (м. кв.?С) /Вт, опір паропроникненню Rе? = 6,667 (м. кв./год Па)/мг.

У третьому розділі наведені результати натурних експериментальних досліджень запропонованої конструкції внутрішнього утеплення торцевих зовнішніх стін квартири №12 панельного житлового будинку №10 серії «МО-БИЛЬ» по вул. Набережний в'їзд, сел. Пісочин-2 Харківської обл.

В осінньо-зимовий період 2004-2005 рр. спостерігалося порушення температурно-вологісного режиму експлуатації у квартирі №12. На момент обстеження (лютий 2005 р.) внутрішня поверхня зовнішніх торцевих стін була сирою. Встановлено, що температурно-вологісний режим будівельних огороджувальних конструкцій квартири не відповідає нормативному і несприятливий із санітарно-гігієнічної точки зору.

Для проведення натурних експериментів застосовані вимірювальні прилади нового покоління, що дозволили істотно розширити можливості експериментальних натурних досліджень: термогігрометр серії CENTER-315, вимірник температури серії CENTER-307/308, мультиметр цифровий АРРА-71, анемометр - адаптер АТТ-1000, міні-метеостанція KW - 301, електронний вимірник щільності теплових потоків ИТП-МГ4.03 «ПОТОК».

Виявлено необхідність створення датчика визначення конденсації у товщі багатошарових огороджувальних конструкцій. Запропоновано нову конструкцію датчика для визначення конденсації, у якості сорбуючого матеріалу якого прийнято електропровідний папір (Заявка на винахід а 2009 00121). Досліджено процеси сорбції і виконано тарування датчика. Проведено натурні експериментальні дослідження, що включають виміри температури на внутрішній поверхні утеплених торцевих стін квартири в різні моменти часу, визначення температури на поверхні контакту керамзитобетонної стіни і утеплювача, температури повітря в кімнатах, визначення зміни відносної вологості повітря на поверхні контакту і наявності конденсації на цій поверхні. Установка датчиків температури і вологості зроблена 18.07.2006 р., інструментальні виміри проводилися: 27.07.2006 р., 15.11.2006, 2.02.2007 р., 24.02.07 р., 2.03.2007 р., 9.01.2008 р., 31.01.2008 р., 25.02.2009 р.

Діапазон зміни температури поверхні стін на всьому протязі вимірів склав в кімнаті №1 від 17 до 20?С, в кімнаті №2 від 21 до 30?С, температури внутрішнього повітря tв від 21 до 23,9?С, зовнішнього tн = від -11,5 до 5,5?С, відносної вологості цв = 24%.

Замір вологості стіни під теплоізоляцією проводився по датчиках визначення конденсації за допомогою мультіметра цифрового АРРА-71, по якому замірявся електричний опір датчика і за допомогою тарувальних графіків визначалася відносна вологість повітря.

Діапазон зміни відносної вологості стіни під ізоляцією для кімнати №1 на всьому протязі вимірів склав від 38% (27.07.2006 р.) до 88% (9.01.2008 р.). Конденсація за трирічний період дослідження не спостерігалась.

Тривале спостереження за станом температурно-вологісного режиму утеплених фасадних конструкцій показало надійність розробленого рішення. Проведені дослідження показують доцільність застосування розроблених способів внутрішнього утеплення.

У четвертому розділі представлені приклади впровадження розроблених методик і ефективних конструктивних рішень утеплення. Спосіб улаштування паробар'єру з розрахунковим опором паропроникненню перед утеплювачем, встановленим із внутрішньої сторони стіни, впроваджений при розробці утеплення огороджувальних конструкцій у кв. 90 будинку №16 по вул. Квартальній в сел. міського типу Пісочин-2 Харківської області. Спосіб улаштування внутрішнього утеплення у двовимірних огороджувальних системах впроваджений при утепленні огороджувальних зовнішніх і цокольних панелей, виготовлених з керамзитобетону, а також плити перекриття з важкого бетону в десятиповерховому житловому будинку по вул. Пермській в м. Харкові. Обстежена квартира розташована на першому поверсі. Під квартирою є підвал із внутрішніми і зовнішніми залізобетонними стінами.

ВИСНОВКИ

1. Розроблено уточнену методику розрахунку розподілу температури і парціального тиску водяної пари по перерізу будівельних конструкцій, виходячи з фундаментальних рівнянь теплопровідності й граничних умов ДБН В.2.6-31:2006; будівельних фасадний огорожа

2. Запропоновано емпіричні формули для аналітичного визначення максимальної пружності (тиск насиченої водяної пари) залежно від температури для діапазону температур від -20?С до + 20?С з вірогідністю R2 = 0,9973 і R2 = 0,9999 для визначення зони можливої і дійсної конденсації водяної пари в товщі фасадної конструкції;

3. Запропоновано аналітичний спосіб визначення дійсної зони конденсації в багатошарових огородженнях;

4. На основі розробленого алгоритму розрахунку найбільш широко розповсюдженої багатошарової системи утеплення за уточненою методикою створена комп'ютерна програма, що дозволяє швидко проводити аналіз різних ситуацій для вибору ефективних рішень фасадів;

5. Розроблено метод розрахунку температурно-вологісного режиму в огороджувальних двомірних і тримірних системах на основі теорії подоби;

6. На основі розробленої методики розрахунку запропоновані нові способи внутрішнього утеплення огороджувальних конструкцій і виявлені ефективні існуючі конструктивні рішення;

7. Розроблено план-програму натурних експериментальних досліджень запропонованої конструкції внутрішнього утеплення торцевих зовнішніх стін квартири №12 панельного житлового будинку №10 серії «МОБИЛЬ» по вул. Набережний в'їзд, сел. Пісочин-2 Харківської обл.;

8. Для проведення натурних експериментів застосовані вимірювальні прилади нового покоління, що дозволили істотно розширити можливості експериментальних натурних досліджень. Запропоновано нову конструкцію датчика для визначення конденсації водяної пари у товщі огорожі;

9. Розроблене конструктивне рішення внутрішнього утеплення впроваджено при реконструкції торцевих стін експериментальної квартири;

10. Проведено натурні експериментальні дослідження, що включають виміри температури на внутрішній поверхні утеплених торцевих стін квартири в різні моменти часу, визначення температури на поверхні контакту керамзитобетонної стіни і утеплювача, температури повітря в кімнатах, визначення зміни відносної вологості повітря на поверхні контакту і наявності конденсації на цій поверхні. Конденсація за трирічний період дослідження не спостерігалась. Тривале дослідження стану температурно-вологісного режиму утеплених фасадних конструкцій показало надійність розробленого рішення;

11. Розроблені пропозиції по вдосконалюванню фасадних конструкцій впроваджені в проектування і будівництво.

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ

1. Фомин С.Л. Расчет температурно-влажностного режима фасадных конструкций / С.Л. Фомин, Ю.В. Фурсов // Науковий вісник будівництва. Вип. 32. Харків: ХДТУБА, ХОТВ АБУ, 2005. - С. 61-68.

2. Фомин С.Л. Особенности конструирования дополнительной теплозащиты фасадных конструкцій / С.Л. Фомин, Ю.В. Фурсов // Науковий вісник будівництва. Вип. 41. - Харків: ХДТУБА, ХОТВ АБУ, 2007. - С. 290-294.

3. Фомин С.Л. Восстановление теплоизоляции сущесвующих фасадных конструкцій / С.Л. Фомин, Ю.В. Фурсов // Науковий вісник будівництва. Вип. 42. - Харків: ХДТУБА, ХОТВ АБУ, 2007. - С. 59-68.

4. Фурсов Ю.В. Эффективные тепловые фасадне системы / Ю.В. Фурсов // Науковий вісник будівництва. Вип. 49. - Харків: ХДТУБА, ХОТВ АБУ, 2008. - С. 249-254.

5. Фомин С.Л. Экспериментальное исследование температурно-влажностного режима ограждающих конструкций с внутренней теплозащитой в натурных условиях / С.Л. Фомин, Ю.В. Фурсов // Науковий вісник будівництва. Вип. 51. - Харків: ХДТУБА, ХОТВ АБУ, 2009. - С. 212-222.

Размещено на Allbest.ru