Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,087

ON THE PROBLEM OF ALTERING THE ENCLOSING STRUCTURES’ THERMAL CHARACTERISTICS BY USING BUILDING INDUSTRY WASTE

Sharapov О.N. 1 Polyakova V.V. 1 Babukhin D.А. 1 Rudakova D.S. 1
1 Belgorod Shukhov State Technological University
Перспектива развития строительной отрасли зачастую сводится к применению энергоэффективных материалов и изделий. Основную задачу энергоэффективности здания можно обозначить в сохранении тепла и снижении энергозатрат на отопление жилых помещений. В связи с этим предпринимаются различные исследования в области изменения тепловых параметров ограждающих конструкций. Одним из них является применение теплоизоляционных материалов на основе отходов строительной отрасли. Проведены лабораторные исследования по созданию теплоизоляционного материала на основе гипсового вяжущего для использования в качестве внутреннего утепления наружных стен. В лабораторных условиях проведено формование четырех видов образцов с применением в качестве мелкого заполнителя таких материалов как: щебень мелкой фракции, гранулы пенополистирола, деревянные опилки и обломки газосиликата мелкой фракции. Проведены испытания образцов исходя из результатов, полученных при исследованиях на приборе ИТП МГ – 4 250. Проведен сравнительный анализ образцов с опорой на показания лабораторных исследованиях и произведенного теплотехнического расчета. Представлены результаты по каждому образцу, и вся информация сведена в единый вывод по данному научному исследованию.
The prospects for construction industry development often come down to using the energy-efficient materials and products. The primary goal of a building’s energy efficiency can be described as heat conservation and reducing energy costs for domestic space heating. In this regard various researches are carried out in the sphere of altering the thermal characteristics of enclosing structures. One of the trends of research is using heat insulating materials on the base of building industry waste. The laboratory study concerning the designing of a heat insulating material on the base of a gypsum binder for the indoor insulation of outer walls has been carried out. Four types of samples have been formed under laboratory conditions, using the following materials as a fine aggregate: fine-fraction break-stone, foam polystyrene pellets, wood dust and fine-fraction gas silicate rubble. The samples have been tested based on the results, obtained at the study with the ITP MG – 4 250 device. The comparative analysis of the samples on the basis of the laboratory research data and the thermotechnical calculations has been done. The findings for each sample are presented and the overall information is reduced to the conclusion of this scientific research.
construction waste
indoor insulation
energy efficiency
multilayered enclosing structures

На протяжении последнего десятилетия произошли большие изменения в строительной индустрии. Были введены дополнительные требования к качеству теплоизоляционных материалов. Согласно Федеральному закону 2009 г. «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности…» требования к теплоизоляционным материалам ужесточились, что привело к ограничению параметров ограждающих конструкций по теплопроводности на основании СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий», по которому многие здания не соответствуют теплотехническим параметрам.

Актуальность темы обусловлена необходимостью применения современных отделочных материалов с повышенными теплоизоляционными и декоративными функциями.

Цели научной работы:

1. Выяснить взаимосвязи и теплотехнические параметры в различных видах декоративных, отделочных и теплоизоляционно-декоративных системах.

2. Рассчитать возможность применения данных систем в отделки внутреннего помещения.

3. Проверить соответствие теплотехнических параметров ограждающей конструкции с применением данных видов систем.

Задачи:

1. Произвести формование образцов (размером 10*10*2) из 4 различных видов теплоизоляционных материалов (на гипсовом вяжущем).

2. Произвести расчет коэффициента теплопроводности и сопротивлению теплоотдачи (с использованием прибора ИТП МГ-4 250).

3. Произвести расчет многослойной конструкции после использования данных систем.

4. Выяснить закономерность в изменениях теплотехнических параметров при применении различных видах теплотехнических систем.

В ходе работы было произведено формование образцов из следующих материалов: щебень и пенопласт на основе гипсового вяжущего. В первом составе был использован самый нетеплопроводный материал – щебень мелкой фракции (1,25–5). Данный материал был взят в массовом соотношении к гипсовому вяжущему как 1:1 (50 % – щебня и 50 % – гипса).

После формования данного образца теплоизоляционного материала было проведено испытание на приборе ИТП МГ-4 250 на теплопроводность данного материала. Данное испытание показало, что при Tx = 15 °C, Tn = 40 °C и H = 20 мм коэффициент теплопроводности λ = 0,084 Вт/м*К, а сопротивление теплопроводности R = 0,232 м2*К/Вт [1].

После испытания теплоизоляционного материалы мы проверяем стену на способность сохранять тепло внутри помещения на примере конструкции, приведенной на рис. 1.

Исходные данные строительной климатологии на территории Белгородской области представлены в таблице [2].

shar1.tif

Рис. 1. Схема ограждающей конструкции

1. Изовол δ = 0,08 м, λ = 0,039 Вт/(м °С).

2. Кирпичная кладка на цементно-песчаном растворе, δ = 0,51 м, λ = 0,7 Вт/(м °С).

3. Воздушная прослойка, δ = 0,023 м, λ = 0,16 Вт/(м °С).

4. Образец гипсокартона δ = 0,02 м, λщ = 0,079 Вт/(м °С), λп = 0,084 Вт/(м °С) [3].

Строительная климатология Белгородской области

Наименование

Относительная влажность воздуха φв, %

Расчетная средняя температура внутреннего воздуха tв, °С

Средняя температура наружного воздуха tот, °C

Продолжительность отопительного периода zо, сут.

Коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности ограждающих конструкций αint, Вт/(м2 °С)

Коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждающих конструкций для условий холодного периода αext, Вт/(м2 °С)

Коэффициент теплотехнической однородности ограждающей конструкции, учитывающий влияние стыков, откосов проемов и т.д. r

Средняя месячная температура наиболее холодного месяца в году tн, °С

Средняя месячная относительная влажность воздуха наиболее холодного месяца φн, %

Климат

Значение

55

20

–1,9

191

8,7

23

0,92

–8,5

84

сухой

 

Первым действием расчета является определение требуемого показателя разницы температур внутреннего и наружного воздуха, определяемого за отопительный период ГСОП, °С•сут:

ГСОП = (tв – tот)×zот,

ГСОП = (20 – (–1,9))×191 = 4182,9 °С•сут.

После определения ГСОП мы рассчитаем нормируемое сопротивление теплопередаче для Белгородской области Rо (н) (м2· °С/Вт):

Rо(н) = а×ГОСП + b,

Rо(н) = 0,00035×4182,9 + 1,4 = 2,86 м2 °С/Вт.

Условное сопротивление теплоотдачи Rо (усл), (м2 °С/Вт) рассчитаем по формуле

R0(усл) = har01.wmf

R0(усл) = har02.wmf м2 °С/Вт.

Приведенное сопротивление теплопередаче R0(пр), (м2 °С/Вт) [4]:

R0(пр) = R0(усл)× r,

Для учета стыков, обрамляющих проемов, откосов учитывается коэффициент r, равный 0,92 [5].

R0(пр) = 3,32×0,92 = 3,05 м2 °С/Вт.

Согласно СП 50.13330.2012 конструкция рассчитывается на паропроницаемость. Это проводится для выявления зон конденсации и определения сопротивлению паропроницанию Rn, которое рассчитаем по формуле

har03.wmf м2·ч·Па/мг [6].

Определение парциального давления водяного пара:

ен = har04.wmf = 274 Па.

Температуры и максимальные давления водяного пара на границе слоев определяются в следующей последовательности: от внутренней к наружной поверхности. Для четырехслойной конструкции получим 5 значений давления и температуры [7]:

har05.wmf

ев1 = har06.wmf = 2175 Па,

har07.wmf

ев2 = har08.wmf = 1906 Па,

har09.wmf

ев3 = har10.wmf = 1765 Па,

har11.wmf

ев4 = har12.wmf = 1177 Па,

har13.wmf

ев5 = har14.wmf = 339 Па [8].

По завершению расчета определим действительные парциальные давления ei водяного пара на границах слоев:

еi = eв – (ев – ен)×ΣR/ Rn,

e1 = 1286Па

е2 = 1286 – (1286 – 274)×0,27/5,17 = 1233,1 Па,

е3 = 1286 – (1286 – 274)×0,27/5,17 = 1233,1 Па,

е4 = 1286 – (1286 – 274)×4,91/5,17 = 324,9 Па,

е5 = 274 Па.

shar2.tif

Рис. 2. Кривые распределения действительного и максимального парциального давления – – – – кривая действительного парциального давления водяного пара –––––– кривая максимального парциального давления водяного пара

Итог по первому образцу: согласно расчетам по сопротивлению теплоотдаче приведенное R0пр больше нормируемого R0норм (3,05 > 2,86), что говорит о соответствии ограждающей конструкции требованиям по теплопередаче. Показания расчета точки росы демонстрируют невозможность образования конденсата, так как кривые, отображенные на рис. 2, не пересекаются.

Во втором составе был использован пенополистирол. Данный материал был взят в соотношении по объему 1:1, по массе 97,7 % гипса и 2,3 % пенопласта.

После формования данного образца теплоизоляционного материала было проведено испытание на приборе ИТП МГ-4 250 на теплопроводность данного материала. Данное испытание показало, что при Tx = 15 °C, Tn = 40 °C и H = 20 мм коэффициент теплопроводности ʎ = 0,079 Вт/м*К, а сопротивление теплопроводности R = 0,291 м2*К/Вт.

После испытания теплоизоляционного материала мы проверяем стену на теплопроводность [9].

Условное сопротивление теплоотдачи Rо (усл), (м2 °С/Вт) рассчитаем по формуле

R0(усл) = har15.wmf

R0(усл) = har16.wmf м2 °С/Вт.

Приведенное сопротивление теплопередаче R0(пр), (м2 °С/Вт):

R0(пр) = R0(усл)× r,

R0(пр) = 3,32×0,92 = 3,07 м2 °С/Вт.

Согласно СП 50.13330.2012 конструкция рассчитывается на паропроницаемость. Это проводится для выявления зон конденсации и определения сопротивлению паропроницанию Rn, которое рассчитаем по формуле

har17.wmf м2·ч·Па/мг.

Определение парциального давления водяного пара [10]:

ен = har18.wmf = 274 Па.

Температуры и максимальные давления водяного пара на границе слоев определяются в следующей последовательности: от внутренней к наружной поверхности. Для четырехслойной конструкции получим 5 значений давления и температуры:

har19.wmf

ев1 = har20.wmf = 2175 Па,

har21.wmf

ев2 = har22.wmf = 1918 Па,

har23.wmf

ев3 = har24.wmf = 1777 Па,

har25.wmf

ев4 = har26.wmf = 1177 Па,

har27.wmf

ев5 = har28.wmf = 336 Па.

По завершению расчета определим действительные парциальные давления ei водяного пара на границах слоев [11]:

еi = eв – (ев – ен)×ΣR/Rn,

e1 = 1286Па,

е2 = 1286 – (1286 – 274)×0,27/5,17 = 1233,1 Па,

е3 = 1286 – (1286 – 274)×0,27/5,17 = 1233,1 Па,

е4 = 1286 – (1286 – 274)×4,91/5,17 = 324,9 Па,

е5 = 274 Па.

shar3.tif

Рис. 3. Кривые распределения действительного и максимального парциального давления – – – – распределение действительного парциального давления водяного пара e –––––– распределение максимального парциального давления водяного пара Е

Итог по второму образцу: согласно расчетам по сопротивлению теплоотдаче приведенное R0пр больше нормируемого R0норм (3,07 > 2,86), что говорит о соответствии ограждающей конструкции требованиям по теплопередаче. Показания расчета точки Росы демонстрируют невозможность образования конденсата, так как кривые, отображенные на рис. 3, не пересекаются.

Вывод: в ходе испытаний образцов мы определили, что образец на основе гипсового вяжущего с использованием в качестве заполнителя гранул пенопласта по теплотехническому расчету проявил лучшие показатели, чем образец на основе гипсового вяжущего с использованием в качестве заполнителя щебня мелкой фракции. Обратив внимание на теплопроводность данных материалов, можно прийти к выводу о том, что, используя в качестве заполнителя материала с большим показателем λ можно достичь большей теплопроводности плит утеплителя на основе гипсового вяжущего.