СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ СТРОИТЕЛЬСТВА МАЛОЭТАЖНЫХ ЖИЛЫХ ЗДАНИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПОРИЗОВАННОГО БЕТОНА

Теоретические и экспериментальные исследования теплозащитных свойств конструкций с применением поризованного бетона

Прежде всего, следует отметить, что теплообмен наружных стен с внут­ренним воздухом учитывается коэффициентом теплоотдачи ав при определе­нии требуемого сопротивления теплопередача R0Mp из санитарно-гигиенических и комфортных условий [34-36]:

RmP = п{1±Л1л1. J_

At" Ав> (3-1)

Где п - коэффициент, принимаемый в зависимости от положения наруж­ной поверхности стены по отношению к наружному воздуху; Te - расчетная температура внутреннего воздуха, °С; TH - расчетная зимняя температура наружного воздуха, °С; At" - нормативный температурный перепад между температурой внут­реннего воздуха и температурой внутренней поверхности стены, °С;

•л

Ав - коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности стены, Вт/м -°С.

_ $

В соответствии с данными табл. 2, 3 и 4 СниП II-3-79 [34] имеем: Ав-%,1 Вт/м2-0С; п= 1; /в=18°С; TH= -26°С; Af=4°С.

Рассмотрим теплозащитные свойства наружных кирпичных стен с при­менением разработанных поризованных бетонов и использованием полученных характеристик. Для выполнения расчетов разработан соответствующий алго­ритм, приведенный на рис. 3.1. Запроектированная многослойная конструкция стен представлена на рис. 3.2. с указанием характеристик строительных мате­риалов. Они являются исходными данными для теплотехнических расчетов.

88

1(18 - (-26)) 1 _ Мг°С Тогда: - - — - 1,26 —

Определяем приведенные сопротивления теплопередаче стен из условий энергосбережения 2-го этапа [34]:

ГСОП — (te-tom ПеР) •Zom nep , (3.2 )

Где ГСОП - градусо-сутки отопительного периода, °С-сутки;

Tom тр ~ средняя температура периода со средней температурой воздуха ниже 8°С;

Zom тр - период со средней температурой наружного воздуха ниже 8°С, сутки. Имеем:

ГСОП = (18-(-2,2°)>219 = 4424°С-сутки По табл. 1а* [34] данная величина находится в пределах 4000-6000°С, по­этому приведенное сопротивление теплопередачи этому периоду соответствует 1,6-2,0 м2 °С/Вт.

Из пропорции находим, что:

R 0=1,759 м2 °С/Вт Определяем фактическое тепловое сопротивление стены:

R о = — + R + — , (3.3)

<*d АН

Где ан - коэффициент теплоотдачи наружной поверхности стены, Вт/м °С;

R - термическое сопротивление всех слоев стены, м2 °С/Вт. В соответствии с исходными данными по рис. 3.2 имеем: 1

+ — =2,170 м2 °С/Вт. 23

89

Однако:

R0= 2,17 < (R0Mp+ R0') =1,26+1,759=3,010 м2 °С/Вт.

Таким образом, запроектированное конструктивное решение наружной стены для условий Санкт-Петербурга удовлетворяет условиям только 1-го этапа энергосбережения и не удовлетворяет условиям 2-го этапа энергосбережения.

Учитывая это, определяем требуемую толщину внутреннего слоя поризо­ванного опилко-бетона:

Лоб = 53 см.

Проверяем:

+ ± = 3,010^ 23 Вт

V0,54 0,25 0,29 0,21.

Тогда R0 = 3,01 = (.R0Mp+ Ro0 = 3,01 м2 °С/Вт.

В данном случае условие выполнения 2-го этапа энергосбережения со­блюдено.

Имеем для поризованного опилко-песчаного бетона со средней плотно­стью 1250 кг/м3 и теплопроводностью 0,30 Вт/м °К:

Л0б = 63 см.

Полученные результаты позволили разработать конструктивные реше­ния, приведенные на рис. 3.2.

Л-

630

790

Рис. 3.2. Конструктивное решение многослойной кирпичной наружной сте­ны с поризованным опилко-бетоном для Санкт-Петербурга с 01.01.2000 г.:

А) бетон плотностью 1100 кг/м3 с X - 0,25 Вт/м °К;

Б) бетон плотностью 1250 кг/м3 с Х = 0,30 Вт/м °К.

90

Исследуем полученные результаты по выполнению этапов №1-№4 алго­ритма на рис. 3.1 более подробно.

Во-первых, как показывают исследования новых отечественных техноло­гий в 2000 г. в НИИЖБ [7, 19, 34, 49], к определению показателя ав следует подходить дифференцированно. Особенно это актуально в связи с необходимо­стью обеспечения высокого уровня комфортности в рассматриваемых жилых домах перспективных решений.

Так, для наружных кирпичных стен жилых домов ав равно 8,7 Вт/м2 °С [34, 49]. Он характеризует интенсивность передачи тепла от воздуха к внутрен­ней поверхности стены и равен плотности теплового потока Q на поверхности раздела, отнесенный к температурному напору (te~4n), величина которого зави­сит от R стен. При этом передача тепла к поверхности наружной стены от воз­духа осуществляется двумя путями: конвекцией ак и от внутренних ограждений излучением ал:

Ав= ак+ал (3.4)

Численные значения аки ал определяются по формулам [19, 46, 72]:

«,=1,66УДГ (3.5)

«л = -------- г—Г--------- ' • 9х-2 (3.6)

Г, 1г

Где Спр - приведенный коэффициент облучения системы тел, между кото­рыми происходит лучистый теплообмен, Вт/м2 °С; (Pi-2 - коэффициент облученности;

Tj и t2~ температуры теплообменивающихся поверхностей, °С. Если ак, зависящий от температурного напора At", может существенно изменяться с ростом п стены, то ап меняется незначительно. При максимальном значении ал имеем:

А; = 8,02 Вт/м2 °С

91

Сравним его с нормативным значением ав, равным 8,7 Вт/м2 °С:

8,02 - агв<ав^ 8,7 (3.7)

Как видно, оно существенно ниже нормативного значения. Так, для окон, находящихся в одинаковых со стенами расчетных наружных и внутренних ус­ловиях по температуре, температурный напор At может существенно превы­шать максимальное для стен значение равное At" = 6°С, и составлять 10-15°С. Однако нормативные значения ае по СНиП [34, 49] принимается одинаковым

Л

Для стен и окон, равным 8,7 Вт/м °С. В то же время расчетное значение ав мо­жет оказывать существенное влияние на установленное R0Mp, экономию тепло­вой энергии при эксплуатации жилых домов. Поэтому целесообразно уточнить значенйя ав для наружных кирпичных стен и рассмотреть их отдельно от дру­гих ограждающих частей домов. Это тем более необходимо, поскольку при су­ществующей тенденции увеличения Ro стен значимость физически связанных параметров ав и At" существенно изменилась [34 - 36].

В связи с изложенным, при оценке теплозащитных качеств проектируе­мых стен целесообразно базироваться на значения ав, полученных в результате исследований в натурных условиях и климатической камере. Они приведены в табл. 3.1 .

92

Учитывая объект исследования, принимаем для (Te-TH), равного 46°С и At" равного 4°С, значение R0Mp, равное 1,77 м2 °С/Вт.

Сравнение полученного показателя с результатами расчета по формуле (3.3) показывают повышение требуемого приведенного сопротивления тепло­передаче на 41%. Физический смысл полученного результата заключается в том, что этот нормативный показатель боле объективно и достоверно учитыва­ет сложный процесс тепловых потерь в жилом доме не только через простенки, но и через окна, двери, покрытие и другие конструктивные элементы - следова­тельно, необходимо сделать повторную корректировку исходных данных в рас­четах согласно алгоритму, приведенному на рис. 3.1с учетом данных табл. 3.1.

В}о-первых, имеем:

(0,12 0,53 0,12 0,02^1 1 ОЛГм2оС

+ —— + + +— = 3,05--------------------

0,54 0,25 0,29 0,21 J 23 Вт

Во-вторых, получаем:

^R0=3,05>R0mp= 1,77 * R0= 3,05 >RQ'= 1,759 Однако: ^

R0 = 3,05 <R0Mp + R0'= 1,77 + 1,759 = 3,53 В связи с этим, необходимо повторно увеличить толщину поризованного

Опилко-бетона для теплопроводности 0,25 Вт/м °К:

В=65 см

Аналогично получаем для бетона плотностью 1250 кг/м и теплопровод­ностью 0,30 Вт/м °К:

В=78 см

Для второго случая имеем:

1 (0,12 0,63 0,12 0,02^1 1 м2оС

+ + -+ + —= 3,03- 0,54 0,30 0,29 0,21) 23 Вт

При этом получаем:

R0= 3,03 >R0mp= 1,77 R0=3,03>R0'= 1,759

93

Однако R0= 3,05 < R0Mp+ R0'= 1,77 + 1,759 - 3,53. Условие выполняется при толщине бетона, равной 78 см. Полученные данные проведенных на базе кафедры строительных материалов БИТУ экспериментов и расчетов позволяют построить зависимости средней плот­ности бетона и его теплопроводности применительно к полученному бетону и су­ществующим аналогам. Они приведены на рис. 3.3 .

Таким образом, исследование показало, что требуемая толщина поризован­ного бетона в рассматриваемой конструкции должна составлять 65 и 78 см для бе - тонов плотностью 1100 и 1250 кг/м соответственно. На основании полученных расчетов построены зависимости расчетного сопротивления теплопередаче много­слойной кирпичной стены от толщины аэрированного бетона. Они приведены на рис. 2.25. Из анализа полученных зависимостей можно сделать вывод о том, что для дальнейшего снижения стоимости стен за счет уменьшения толщины аэрированно­го бетона следует применять бетоны с меньшим коэффициентами теплопроводно­сти.

Ограничительным условием в данном направлении является нормативный (устанавливаемый) предел прочности бетона, зависящий от его плотности.

X, Вт/м

0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 О

94

Выявленная зависимость позволяет сопоставить теоретические и эмпири­ческие зависимости расчетного сопротивления теплопередаче от толщины раз­работанного поризованного бетона. Она приведена на рис. 3.4 .

.Рис. 3.4. Теоретические и экспериментальные зависимости расчетного со­противления теплопередаче R кирпичной стены с поризованным бетоном плотностью 1100 кг/м и Х-0,25 Вт/м°К от толщины бетона в:

1- нормативное значение Ro^; 2- нормативное значение Ro'; 3- нормативное значение (Ro^-f - Ro') для 2-го этапа энергосбережения; 4 - нормативное значе­ние (RoTp+ Ro') для 2-го этапа энергосбережения с учетом поправочных показа­телей ав; X - теоретические значения; Y - эмпирические значения.

Расчеты для третьего варианта разработанного бетона плотностью 1150 кг/м3 и теплопроводностью 0,28 Вт/м°К выполнены аналогично в соответст­вии с принятым алгоритмом.

При этом получаем:

R0= 3,54 >R0mv=,V R0= 3,54 >R0'=1,759 До= 3,54 > (R0mp+R09 = 3,53

95

Таким образом, толщина поризованного перлито-песчаного бетона со­ставляет 73 см с учетом выполнения требований 2-го этапа энергосбережения и уточненных показателях ав.

Для сравнительного анализа теплозащитных свойств разработанных ва­риантов экспериментальных бетонов исследуем свойства сопоставимой конст­рукции на основе газобетонных блоков.

Расчеты выполним согласно разработанному алгоритму.

Имеем:

0,12 0,30 0,12 0,02

TOC o "1-3" h z _________ :_____________ |_ '

0,35 0,10 0,29 0,21

1 м °С

Н--- = 4,049-----

23 Вт

При этом получаем:

Г Ro~ 4,049 > RoMp=,Ll R0= 4,049 >R0'= 1,759 R0= 4,049 >(R0mp+R0) = 3,53

Таким образом, газобетонные блоки толщиной 30 см удовлетворяют требо­ваниям 2-го этапа энергосбережения. Меньшая требуемая толщина газобетона по сравнению с поризованным бетоном обоснована более эффективным и в 2,5-3 раза меньшими, чем в монолитном варианте, показателями теплопроводности.

Далее, в соответствии с блоками 5-7 и 8-10 алгоритма выполнены расчеты на паропроницание и воздухопроницание разработанной конструкции [34, 49].

Полное сопротивление паропроницанию стены рассчитано исходя из сле­дующих показателей: <рв = 55% - относительная влажность внутреннего возду­ха; (рн = 85% - относительная влажность наружного воздуха для наиболее хо­лодного месяца.

Упругость пара внутри помещения:

_ tb

Е п ' Ф

6п'в = ' (3-8)

Ль

Где £нп - упругость насыщенного водяного пара внутри помещения при T= 18°С.

Имеем по табл. 1.4. [34-37]:

Ejb=2059Па

Поэтому:

2059 -55 „

Епь = -------------- = И32 Па

ПЬ 100

Аналогично для упругости пара наружного воздуха:

■ (3-9)

Где енп'н - упругость насыщенного водяного пара наружного воздуха наиболее холодной пятидневки (при T =-26°С). Имеем: eHntH- 58 Па.

Тогда е„ь=85 = 47,6 Па 100

Полное сопротивление паропроницанию представленных конструкций рассчитано по формуле:

П

^п. пол. = YJ RШ, (ЗЛО)

1 = 1

Где I - количество слоев конструкций.

Расчеты показали, что конструкции удовлетворяют нормативным требо­ваниям по паропроницанию.

Требуемое сопротивление воздухопроницанию стены Ro"P:

АР

Romp=—, (3.11)

Сг

Где АР - разность давлений воздуха на наружной и внутренней по­верхностях стены по СНиП [34]; сг н - нормативная воздухопроницаемость. При этом АР = 0,55 Н(Y„-Re)+0,03YM-V2, (3.12)

Где Н — высота жилого дома от поверхности земли до верха карниза; Ун, У в ~ удельные веса наружного и внутреннего воздуха, Н/м3 по [34].

97

Имеем для нашего случая при двухэтажном доме:

Н = 6,27 м

Определяем у '.

3463

Г = ^ГГТ <злз)

Гн = ---------- ^-------------- = 14 Н/м 3

273 + ( - 26 )

3463 ,

У d = ------------------ = 11,9 Н/м 3

D 273+18

Максимальная из средних скоростей ветра по румбам за январь, повто­ряемость которых составляет 16% и более принимаем по СНиП 2.01.01-82, рав­ной 5 м/с.

Следовательно:

АР = 0,55-6,72(14-11,9)+0,03-14-52=18,2 Имеем по табл. 12 СНиП [34]:

Сгн = 0,5 кг/м •Ч

Поэтому:

0,5 кг

Расчет сопротивления воздухопроницанию всех слоев стены Rt показал, что разработанная конструкция удовлетворяет требованиям по сопротивлению воздухопроницаемости, т. к. выполнено условие:

Rt > R0mp.

Таким образом, в результате выполненных исследований можно сделать обобщающий вывод о том, что предлагаемая стена с использованием поризо­ванных опилко - и перлито-бетонов отвечает современным требованиям СНиП по сопротивлению теплопередаче, паропроницанию и воздухопроницанию. Это обеспечивает нормативный санитарно-гигиенический и комфортный уровень проживания людей в домах.

98