[
На правах рукописи
Михеев Денис Александрович
ПОВЫШЕНИЕ ТЕПЛОВОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ
НАРУЖНЫХ СТЕНОВЫХ ОГРАЖДЕНИЙ НА ОСНОВЕ
АНАЛИЗА ТЕПЛОВИЗИОННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
05.23.01 – Строительные конструкции, здания и сооружения
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Красноярск – 2010 1
Работа выполнена в федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирский федеральный университет»
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Назиров Рашит Анварович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Овсянников Сергей Николаевич кандидат технических наук Кривошеин Александр Дмитриевич
Ведущая организация: ГОУ ВПО «Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет»
Защита состоится 12 марта 2010 г. в 1530 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.099.08 при федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирский федеральный университет» по адресу: 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 82, ауд. К-120.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института градостроительства, управления и региональной экономики Сибирского федерального университета
Автореферат разослан « 9 » февраля 2010 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Е.В. Пересыпкин
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы обусловлена необходимостью научной проработки вопроса о повышении энергоэффективности зданий жилого и общественного назначения и совершенствования методов ее оценки.
На сегодняшний день жилищно-коммунальный сектор является одной из энергоемких отраслей, потребляющей почти 1/3 топливно-энергетических ресурсов страны. Существующий потенциал энергосбережения в данной сфере составляет около 25–27 %. В этой связи особую роль приобретает разработка новых мероприятий, направленных на совершенствование правил учета и контроля энергопотребления и предельных энергопотерь.
Одним из приоритетных направлений энергосбережения в сфере ЖКХ является повышение энергоэффективности жилого фонда. В настоящее время в России большинство зданий имеют наружные ограждающие конструкции с низкими теплотехническими показателями, не соответствующими современным нормативно-техническим требованиям.
В работе особое внимание уделено разработке и оценке конструктивных решений, позволяющих повысить уровень энергоэффективности зданий жилого и общественного назначения с соблюдением требований санитарной гигиены.
Диссертационная работа выполнялась по приоритетному направлению национального проекта «Доступное и комфортное жилье – гражданам России» при поддержке Краевого государственного автономного учреждения «Красноярский краевой фонд поддержки научной и научно-технической деятельности».
Степень разработанности проблемы. Среди исследователейтеоретиков, чьи исследования являются фундаментальными в области инфракрасного излучения, можно отметить таких ученых, как У. Гершель, М.
Ландриани, М. Меллони, А. Сванберг, Сэмюель П. Лэнгли, Д. Дьюар, П.Н.
Лебедев, М. Планк, А. Энштейн, Г. Кирхгоф, Б.Б. Голицин, В. Вин.
Благодаря разработкам Научно-исследовательского института строительной физики РААСН (г. Москва), Московского технологического института энергетических обследований, диагностики и неразрушающего контроля «ВЕМО», «Томского НИИ интроскопии», Северо-Западного государственного технического университета (г. С.-Петербург), Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии (СибАДИ, г. Омск) в лице таких научных сотрудников, как Г.С. Иванов, Ю.А. Матросов, И.Н. Бутовский, О.Н. Будадин, Т.Е. Троицкий-Марков, Е.В. Абрамова, В.П. Вавилов, А.И. Иванов, А.И.
Потапов, А.Д. Кривошеин и др., были сформулированы основные научнотеоретические положения и требования по проведению диагностики наружных ограждающих конструкций зданий на основе метода теплового неразрушающего контроля (ТНК) и осуществлен переход к практическому использованию в производственных условиях. Результаты исследований нашли свое отражение в нормативно-технической документации.
Несмотря на значительные результаты, достигнутые в области ТНК, следует отметить, что существующие методики по оценке теплотехнического состояния ограждающих конструкций содержат неполную информацию в части моделирования распределения температурных полей по поверхностям ограждений. Отсутствует сравнительный анализ фактического распределения температурного поля по поверхности обследуемой конструкции с теоретическим, полученным на базе расчета конструктивного проектного решения, необходимый для повышения достоверности результатов, получаемых при тепловизионных обследованиях, и выявления причин, повлекших к образованию дефектов тепловой защиты зданий.
Цель работы: разработка конструктивных узлов сопряжений наружных ограждающих конструкций на основе усовершенствованной методики тепловизионной диагностики зданий.
Объектами исследования являются наружные стеновые конструкции жилых и общественных зданий.
Методика исследования – экспериментально-теоретическая часть: в работе реализован комплексный подход к проблеме, включающий математическое моделирование; экспериментальные исследования в натурных условиях на натурных моделях; численно-аналитические исследования и сопоставительный анализ результатов.
Основные задачи исследований:
1. Изучить способы и методики тепловизионного обследования зданий.
2. Установить влияние факторов окружающей среды на распределение температур по поверхностям наружных ограждающих конструкций, научно обосновав признаки образования аномальных зон.
3. Оценить существующие конструктивные решения наружных стеновых панелей по показателю теплотехнической однородности на основе результатов натурных тепловизионных обследований.
4. Разработать систему классификации (по признаку образования) основных видов дефектов тепловой защиты ограждающих конструкций зданий, выявляемых при тепловизионных обследованиях.
5. Разработать алгоритм по повышению достоверности результатов натурных обследований путем сопоставления с результатами теоретических расчетов.
6. Разработать технические решения по улучшению теплотехнических характеристик существующих конструктивных узлов сопряжения наружных ограждающих конструкций.
Научная новизна:
1. Получены реальные значения параметров распределений температурных полей по наружным поверхностям стеновых ограждающих конструкций зданий, принятых к строительству на территории г. Красноярска и в его окрестностях. Коэффициент вариации, рассчитанный по фактически наблюдаемым значениям температур для стеновых панелей, более чем в 4,5 раза выше, чем у ограждений, выполненных из мелкоштучных изделий.
2. Установлено, что фактическое распределение температур приближается к нормальному закону практически для всех несветопрозрачных ограждений за исключением стеновых панелей. Представление реальных распределений температур методом тепловизионного контроля в виде частотнотемпературных гистограмм позволяет выявить конструктивные особенности и дефекты наружных ограждений.
3. Теоретическими расчетами установлено, что величины стандартных отклонений и коэффициентов вариации, являющиеся показателями разброса значений температур по поверхности ограждения, возрастают при понижении температуры наружного воздуха и снижении скорости ветра, что свидетельствует о повышении точности качественного и количественного анализа, достоверности получаемых результатов при тепловизионной съемке.
4. На основе тепловизионных измерений и теоретических расчетов наружных стеновых панелей получены адекватные математические модели зависимостей параметров распределения температуры от условий окружающей среды (температура, скорость ветра).
5. Для получения объективных результатов при проведении тепловизионных обследований стеновых панелей при скоростях ветра от до 1 м/с температурный перепад между наружной и внутренней средой должен составлять не менее 10 оС, а при скоростях ветра свыше 1 м/с – быть более 20 оС.
6. Установлено, что бльшую часть существующих конструктивных решений можно довести до соответствия санитарно-гигиеническим требованиям путем применения малозатратных мероприятий, основанных на рациональном использовании конструктивных и теплоизоляционных материалов, перераспределяющих тепловые потоки в элементах наружных строительных конструкций.
Практическая значимость работы:
1. Усовершенствована существующая методика тепловизионной диагностики наружных ограждающих конструкций зданий путем включения в алгоритм тепловизионного обследования сравнительного анализа по распределению температурных полей, полученных в ходе натурных обследований, с результатами теоретических расчетов.
2. Разработана и предложена для использования система классификации основных видов дефектов тепловой защиты зданий, выявляемых при тепловизионных обследованиях наружных ограждающих конструкций.
3. Разработаны и внедрены в практику строительства технические решения узлов наружных ограждающих конструкций панельного и монолитного домостроения с улучшенными теплотехническими характеристиками, обеспечивающие санитарно-гигиенические требования и повышающие класс энергетической эффективности зданий.
4. Разработаны и внедрены в практику проектирования и строительства на территории г. Красноярска методические рекомендации по расчету наружных ограждающих конструкций с использованием программы «TEMPER-3D».
Реализация результатов работы. Результаты исследований и научных разработок используются в практике тепловизионных обследований наружных ограждающих конструкций в лаборатории строительной физики Сибирского федерального университета.
Теоретические положения диссертации используются на курсах «САПР, АСУ» по кафедре архитектуры гражданских и промышленных зданий Института градостроительства, управления и региональной экономики (ИГУиРЭ) СФУ для студентов специальности 270114 «Проектирование зданий», а также на курсах по переподготовке и повышению квалификации по направлениям «Проектирование зданий и сооружений» и «Строительство зданий и сооружений».
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. В соответствии с формулой специальности 05.23.01 «Строительные конструкции, здания и сооружения» в диссертации разработаны рациональные конструктивные решения на основе усовершенствованной методики тепловизионной диагностики наружных ограждающих конструкций зданий, направленные на создание наиболее совершенных и надежных конструкций.
Полученные в диссертации результаты исследования соответствуют следующим пунктам специальности 05.23.01 «Строительные конструкции, здания и сооружения»:
пункт 2 «Обоснование, разработка и оптимизация объемнопланировочных и конструктивных решений зданий и сооружений с учетом протекающих в них процессов, природно-климатических условий, экономической и конструкционной безопасности на основе математического моделирования с использованием автоматизированных средств исследований и проектирования» в части оптимизации существующих конструктивных решений жилых зданий с учетом природно-климатических условий Сибири на основе математического моделирования;
пункт 6 «Поиск рациональных форм, размеров зданий, помещений и их ограждений исходя из условий их размещения в застройке, деятельности людей и движения людских потоков, технологических процессов, протекающих в здании, санитарно-гигиенических условий, экологической безопасности»
в части поиска рациональных строительных конструкций, отвечающих санитарно-гигиеническим требованиям, на основе использования в них строительных материалов, перераспределяющих тепловые потоки;
пункт 7 «Развитие теоретических основ строительно-акустических методов и средств, поиск рациональных решений освещения зданий и отдельных помещений, рациональных объемно-планировочных и конструктивных решений зданий и сооружений, направленных на повышение эффективности капиталовложений, энерго- и ресурсосбережение, создание комфортных условий для людей и оптимальных для технологических процессов» в части разработки конструктивных решений зданий, позволяющих повысить энергоэффективность;
пункт 8 «Методы и техника оценки и диагностики технического состояния, усиление и восстановление конструкций и элементов эксплуатируемых зданий и сооружений, прогрессивные формы обслуживания зданий, сооружений и систем их жизнеобеспечения» в части развития эффективного метода оценки и диагностики технического состояния наружных ограждающих конструкций путем сопоставления результатов теоретических расчетов, полученных на основе использования современных программных продуктов, с результатами теплового неразрушающего контроля, позволяющего повысить достоверность в определении причин, повлекших к образованию дефектов.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на региональных конференциях, в том числе: на V Всероссийской научно-практической конференции (Красноярск, 2004 г.); на региональных научно-технических конференциях (Красноярск, 2005–2006 гг.); научно-практической конференции «Доступное и качественное жилье – национальный проект и современная необходимость»
(Красноярск, 2006 г.); на совместном семинаре ученых Института СО РАН и СФУ по вопросу энергосбережения строительных и промышленных объектов (Красноярск, 2009 г.).
В полном объеме диссертационная работа докладывалась на расширенном научном семинаре кафедры архитектуры гражданских и промышленных зданий ИГУиРЭ СФУ (г. Красноярск, 2010 г.).
Публикации. Основные положения диссертации изложены в 12 печатных работах, в том числе в 2 статьях в рецензируемых журналах из перечня ВАК.
Положения, выносимые на защиту:
• теоретическое обоснование расчетных значений геометрических и теплотехнических параметров строительных конструкций, учет которых необходим для получения достоверных результатов при расчетах приведенного сопротивления теплопередаче;
• полученные эмпирические распределения температурных полей по наружным ограждающим конструкциям зданий, возведенных с применением различных технологий и конструктивных решений, а также их статистические показатели;
• теоретическое обоснование с экспериментальным подтверждением результатов исследования изменения картины распределения температурных полей на поверхностях стеновых панелей в зависимости от параметров окружающей среды (скорости ветра и температуры);
• усовершенствованная методика тепловизионной диагностики наружных ограждающих конструкций зданий путем включения в алгоритм тепловизионного обследования сравнительного анализа по распределению температурных полей;
• предложения по повышению теплотехнических показателей существующих конструктивных решений (узлов) зданий.
Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, пять глав, основные выводы, библиографический список источников из 110 наименований и 6 приложений. Общий объем работы изложен на 226 страницах. Основной текст диссертации – 176 страницы, включая 71 рисунок и 33 таблицы.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, поставлена цель и определены задачи исследования, показана её научная новизна и практическая значимость полученных результатов. Сформулированы основные положения, выносимые на защиту, а также приведены сведения об апробации работы.
В первой главе проведен анализ потребления тепловой энергии на основе динамики ввода объектов жилого назначения, который показал актуальность и приоритетность темы исследования. Рассмотрены этапы развития нормативно-технической базы и способ диагностики наружных ограждающих конструкций методом теплового неразрушающего контроля (ТНК).
Выявлено, что, несмотря на достаточно длительный период, прошедший с начала разработки нормативной базы по тепловой защите зданий, определение величины приведенного сопротивления теплопередаче трехмерных наружных ограждающих конструкций с применением компьютерных программ нередко приводит к расхождению получаемых результатов вследствие отсутствия единой методики расчета. Также установлено, что при проведении количественного анализа на основании данных, полученных при натурных обследованиях, вопрос о достоверности и объективности результатов остается открытым ввиду отсутствия в действующих методиках сравнительного анализа фактического распределения температурных полей с теоретическими.
Во второй главе представлены характеристики средств измерений, описание методик по проведению теоретических расчетов и натурных обследований строительных конструкций, рассмотрена последовательность обработки результатов измерений.
В качестве основного средства измерений в работе использовалась инфракрасная камера «ThermaCAM P20», предназначенная для проведения натурных измерений в температурном диапазоне от –40 до +1000 оС. Для получения дополнительной информации, необходимой для проведения качественного и количественного анализа обследуемых конструкций, в работе использовалось сопутствующее контрольно-измерительное оборудование в составе термометров, измерителей плотностей тепловых потоков, измерителей самопишущих, анемометров. Все используемое в работе оборудование включено в государственный реестр средств измерений и имеет поверку. Обработка полученных в процессе тепловизионных обследований данных выполнялась с применением программы «Microsoft Excel» и интегральной системы программирования «MathCAD». Для нахождения корреляционных зависимостей использовалась программа «STATISTICA».
Теоретические расчеты по определению теплотехнических показателей строительных конструкций, а также разработка конструктивных решений с улучшенными теплотехническими характеристиками выполнялись с применением сертифицированной программы «TEMPER-3D».
На основании проведенных теоретических расчетов, обосновывающих выбор расчетных значений геометрических и теплотехнических параметров ограждающих конструкций, учет которых необходим для получения достоверных результатов при расчетах приведенного сопротивления теплопередаче, установлено следующее: 1) одну и ту же конструкцию можно охарактеризовать как минимум двумя значениями приведенного сопротивления теплопередаче: «заводским» и «комплексным»; 2) для объективного расчета тепловой поток должен учитываться как с поверхности самого наружного ограждения, так и с поверхностей строительных конструкций, примыкающих к наружному ограждению. При этом учет может осуществляться по значениям как входящих, так и выходящих тепловых потоков; 3) площадь, которую необходимо принимать в теплотехнических расчетах наружного стенового ограждения, должна определяться по плоскости, перпендикулярной движению основного теплового потока, и ограничиваться размерами рассматриваемого ограждения. Установленные положения использовались при выполнении работы и были включены в состав разработанных методических рекомендаций.
В третьей главе проведено исследование распределения температурных полей на поверхностях строительных конструкций при съемке изнутри и снаружи. Установлены преимущества и недостатки каждого из способов диагностики.
Проведена сравнительная оценка распределения температурных полей по наружным поверхностям стеновых ограждений жилых зданий массовой застройки, возводимых на территории г. Красноярска и в его окрестностях (рис. 1).
Рис. 1. Распределение температурных полей по наружным поверхностям стеновых ограждений жилых зданий: а – термограмма; б – фотография; в – частотно-температурная гистограмма; I – здание, возведенное из кирпича; II – монолитное здание с дисками перекрытий III Рис. 1. Распределение температурных полей по наружным поверхностям стеновых ограждений жилых зданий: а – термограмма; б – фотография; в – частотно-температурная гистограмма; III – монолитное здание с облицовкой теплоизоляционного слоя тонкостенной защитно-декоративной штукатуркой; IV – панельное здание из стеновых панелей на ребрах В результате оценки получены реальные значения параметров распределений температурных полей (см. таблицу) и определены коэффициенты вариации, являющиеся показателем разброса температуры по поверхности ограждения, по фактически наблюдаемым значениям температур (рис. 2).
конструктивного исполнения стенового ограждения здания Керамзитобетонные панели 350 мм «КЖ»
Примечания: 1. В числителе указана температура в градусах Цельсия (оС), в знаменателе – градусах Кельвина (К) [0оС = 273,15 К].
2. Значения коэффициентов вариации определены по градусам Кельвина силикатный кирпич Силикатный кирпич Рис. 2. Коэффициенты вариации типовых наружных ограждающих конструкций Установлено, что фактическое распределение температур приближается к нормальному закону практически для всех несветопрозрачных ограждений за исключением стеновых панелей. Представление реальных распределений температур методом тепловизионного контроля в виде частотнотемпературных гистограмм позволяет выявить конструктивные особенности и дефекты наружных ограждений.
Исследовано распределение температурных полей в зависимости от изменения факторов окружающей среды на наружных поверхностях стеновых панелей 3НС 30.29.35–150л (панель без светового проема) и 3НС 30.29.35–150л–1 (панель с оконным проемом), выполненных по серии 97.87ИЖ1.1-1, на основании результатов поставленных теоретических экспериментов, подтвержденных результатами натурных обследований.
Установлено: а) с уменьшением скорости ветра математическое ожидание смещается в сторону высоких температур; б) стандартное отклонение с уменьшением ветрового воздействия увеличивается, при этом наибольшие отклонения (как и при математических ожиданиях) наблюдаются при больших температурных перепадах (рис. 3).
Стандартное отклонение, К [ C] Установлено, что для получения объективных результатов при проведении тепловизионных обследований стеновых панелей на ребрах при скоростях ветра от 0 до 1 м/с температурный перепад между наружной и внутренней средой должен составлять не менее 10 оС, а при скоростях ветра свыше 1 м/с – быть более 20 оС.
Разработаны математические модели изменения коэффициента вариации, являющегося показателем разброса значений температур по поверхности стеновых панелей, указанных ранее, в зависимости от изменения двух переменных: конвективной составляющей коэффициента теплоотдачи – скорости ветра и температуры. Расчеты выполнены для условий № 1 и № 2.
Условия № 1. Факторы варьирования: Х11 – температура наружной среды в диапазоне от 233,15 до 283,15 К (от –40 до +10 оС), интервал варьирования составил 25 К; Х12 – скорость ветра в диапазоне от 1 до 5 м/с, интервал варьирования – 2 м/с. В качестве функций отклика рассматривались коэффициенты вариации для стеновой панели 3НС 30.29.35–150л (Y11) и 3НС 30.29.35–150л–1 (Y12).
Условия № 2. Факторы варьирования: Х21 – температура наружной среды в диапазоне от 233,15 до 283,15 К, интервал варьирования – 25 К; Х22 – скорость ветра в диапазоне от 0 до 1 м/с, интервал варьирования – 0,5 м/с.
Функции отклика – коэффициенты вариации для стеновой панели 3НС 30.29.35–150л (Y21) и 3НС 30.29.35–150л–1 (Y22).
Получены уравнения регрессии в кодированных и натуральных единицах, графики которых представлены на рис. 4.
Рис. 4. Графическое представление результатов расчета уравнений регрессии в натуральных единицах: а – выходные параметры Y11 и Y12; б – то же Y21 и Y В четвертой главе исследована возможность и особенности сопоставления результатов экспериментальных и теоретических расчетов (качественной картины распределения температурных полей и количественных значений теплотехнических показателей) наружных стеновых ограждающих конструкций зданий на примере панельного домостроения.
В ходе тепловизионного обследования жилого здания, наружные ограждающие конструкции которого выполнены из 3-слойных стеновых панелей по серии 135 м, выявлена панель НР 30.28.4-2 с аномальным расположением температурных полей (рис. справа). Как видно из термограммы, панель, расположенная слева, имеет более низкие значения температур наружной поверхности (–12,0 оС) по сравнению с «аномальной» панелью, у которой среднее значение температуры составило –10,7 оС, что Рис. 5. Термограммы наружных свидетельствует о повышенных стеновых панелей НР 30.28.4- теплопотерях последней.
В ходе теоретических расчетов проектного исполнения панелей при расчетных параметрах наружной и внутренней среды для условий г. Красноярска установлено, что условное сопротивление теплопередаче панели Rо составляет 4,96 м2оС/Вт, а приведенное Rоr – 2,18 м2оС/Вт, что на 41 % ниже нормируемого (Rreq = 3,7 м2оС/Вт), т. е. принятое к строительству проектное решение стеновой панели НР 30.28.4-2 является неэффективным в части энергосбережения. Коэффициент теплотехнической однородности r равняется 0,44, тогда как рекомендуемое нормативное значение должно быть не менее 0,6. Анализ распределения температурных полей по внутренним поверхностям ограждений показал, что проектное исполнение панели отвечает санитарно-гигиеническим требованиям.
Для выяснения причин, приведших к образованию повышенных температур по наружной поверхности «аномальной» панели, была выполнена серия теоретических расчетов на программе «TEMPER-3D» с использованием граничных условий, зафиксированных в ходе тепловизионного обследования:
int= 2,1 Вт/(м2оС), tint = 21оС, ext = 3,1 Вт/(м2оС), text = –15,2 оС. При этом расчет производился для двух условий эксплуатации: «А» и «Б». Результаты расчета – распределение температурных полей, представлены на рис. 6.
Качественное сравнение температурных полей по наружным поверхностям обследуемых стеновых панелей, представленных на рис. 5, 6 позволяет сделать вывод, что повышенные теплопотери у «аномальной» панели вызваны следствием увлажнения материала наружной конструкции влагой, выделившейся из внутреннего воздуха. Данное обстоятельство подтверждается результатами многодневных замеров температурно-влажностных параметров, на основании которых установлено, что среднее значение относительной влажности внутреннего воздуха за период наблюдения в помещении квартиры, где расположена «аномальная» панель, составило 70 %.
Рис. 6. Распределение температурных полей по наружным поверхностям панели:
Проведенный анализ распределения температурных полей в целом показал высокую сходимость. Средние значения температур наружной поверхности, полученные в результате теоретических расчетов, составили для бездефектной панели –11,7 оС, для «аномальной» панели –11,0 оС, что не превышает 3 % погрешности от результатов натурного обследования.
В результате проведенных теоретических расчетов установлено, что приведенное сопротивление теплопередаче Rоr обследуемой «аномальной»
панели составило 1,65 м2оС/Вт, тогда как по результатам тепловизионного обследования оно равняется 1,66 м2оС/Вт. Погрешность расчета не превышает 1 %.
При проведении тепловизионного обследования наружных ограждающих конструкций в помещении жилой квартиры панельного дома на внутренних поверхностях наружного угла выявлены участки с образованием конденсата и грибка (рис. 7). Наружный угол образован трехслойными стеновыми панелями на дискретных связях: панелью торцевой без проемов Н- (рис. 7, а слева) и панелью с балконной дверью Н-108 (рис. 7, а справа), изготовленными по серии 91.99 ИЖ1.1-1.
Теоретические расчеты проектного исполнения стеновых конструкций, образующих угол, показали, что при расчетных параметрах наружной и внутренней среды для ление теплопередаче панелей Rо составляет 4,82 м2оС/Вт, тогда как приведенное Rоr для Н-111 равняется 3,78 м2оС/Вт (r = 0,78) и 1,71 м2оС/Вт (r = 0,35) для панели Н-108.
Конструктивное исполнение наружной стеновой панели Н-108, в особенности существующее решение узла примыкания и заделки ется в доработке, т. к. установлено, что именно через данный узел происходит интенсивная утечка тепла (температура на внутренней по- угла; б, в – термограммы В ходе тепловизионного обследования установлено, что параметры внутренней среды в помещениях обследуемой квартиры за период наблюдения в среднем составили: tint = 22,9 оС, int = 71,2 %. При данных параметрах значение температуры точки росы td = 17,4 оС. Зафиксированные на внутренних поверхностях панелей температуры (рис. 7, б) ниже, чем значение температуры точки росы, что является предпосылкой выпадения конденсата.
Проведем теоретический расчет при граничных условиях, зарегистрированных в ходе натурного обследования и обработанных в соответствии с существующими методиками: int = 5,5 Вт/(м2оС); tint = 24 оС; ext = 6,5 Вт/(м2оС);
text = –7,7 оС; ext bal = 4,4 Вт/(м2оС); text bal = –3,7 оС. Теплотехнические характеристики строительных материалов приняты для условий эксплуатации «Б».
Изотермы температурных полей по внутренним поверхностям верхней и нижней части угла при установленных температурно-влажностных параметрах и проектных решениях стеновых панелей и мест их сопряжения представлены на рис. 8.
обследования (рис. 7), с результатами теоретических расчетов (рис. 8) выявил различие в расположении изотерм, что подтверждается количественными значениями температур. Расхождение значений составляет температур и искажению температурных полей на внутренних поверхностях обследуемых ограждений, проведем дополнительные теоретические расчеты, в которых вариантным перебором произведем изменения конструктивного (проектного) исполнения наРис. 8. Изотермы температурных ружных стеновых панелей и способов гермеполей по внутренней поверхности наружного угла В ходе вариантного перебора установлено, что наилучшая сходимость температурных полей достигается при условии исполнения окаймляющих по периметру ребер в наружных стеновых панелях из керамзитобетона плотностью 1500 кг/м3 вместо заложенного в проекте полистиролбетона ( = 250 кг/м3).
На рис. 9 представлены результаты сопоставления температурных полей по внутренним поверхностям строительных конструкций Н- и Н-111, образующих угол, которые зарегистрированы инфракрасной камерой и рассчитаны по программе «TEMPER-3D».
Рис. 9. Распределение температурных полей по внутренней поверхности угла:
а, б – термограммы; в, г – результаты теоретического расчета Расхождение значений по температуре не превышает 0,7 %. Фактическое значение приведенного сопротивления теплопередаче строительных конструкций Rоr равняется 2,56 м2оС/Вт (r = 0,64) для наружной стеновой панели Н-111 и 1,12 м2оС/Вт (r = 0,28) для Н-108.
В результате проведенного анализа установлено, что причиной образования конденсата на внутренних поверхностях стеновых панелей, образующих наружный угол, является: 1) ненадлежащее проектное решение узла примыкания и заделки балконной плиты с плитой перекрытия (проектный дефект);
2) несоответствие конструктивного исполнения стеновых панелей – замена материала окаймляющих по периметру ребер с полистиролбетона на керамзитобетон (производственный дефект) и 3) несоответствие зафиксированных параметров микроклимата оптимальным значениям, выраженное в повышении относительной влажности внутреннего воздуха, что в свою очередь ведет к росту значения температуры точки росы (эксплуатационный дефект).
Как видно из поставленных экспериментов, для повышения достоверности результатов тепловизионных обследований целесообразным является проведение теоретических расчетов по сопоставлению качественных и количественных теплотехнических показателей строительной конструкции.
В этой связи предлагается усовершенствовать существующую методику тепловизионной диагностики наружных ограждающих конструкций зданий путем включения в алгоритм расчета сравнительного анализа по распределению температурных полей на поверхностях ограждений, полученных в ходе натурных обследований, с результатами теоретических расчетов (рис. 10).
Корректировка Рис. 10. Алгоритм проведения сравнительного анализа В пятой главе представлены разработанные технические решения, позволяющие повысить теплотехнические показатели, в частности, санитарногигиенические требования и класс энергетической эффективности на примере монолитных и панельных зданий.
Одним из наиболее уязвимых мест в монолитном домостроении является узел, образованный примыканием светопрозрачного ограждения – балконной двери к консольному перекрытию. Температура опускается ниже 0 оС.
Снижение температуры в указанных местах является обоснованным и вызвано наличием ребра жесткости, соединяющего консольную часть перекрытия, образующую балкон, с самой монолитной плитой (рис. 11, а). Конструктивное решение стены представляет собой трехслойное ограждение, внутренний слой (3) которого выполнен из пенобетонных блоков = 600 кг/м3, наружный (1) – из кирпича керамического пустотелого = 1600 кг/м3, пространство между слоями заполнено эффективным теплоизоляционным материалом (2) из плит пенополистирольных = 40 кг/м3; балконная дверь (5) примыкает к монолитному перекрытию (4) в месте расположения перфорации.
Рис. 11. Узел примыкания светопрозрачного ограждения к консольному перекрытию (существующее конструктивное решение):
а – схема расположения конструктивных элементов;
б – распределение изотерм по внутренним поверхностям На основании результатов, полученных в ходе теоретических расчетов с применением программы «TEMPER-3D», установлено, что при проектном исполнении рассматриваемого узла (для расчетных климатических параметров г. Красноярска) температура на внутренней поверхности опускается до значения минус 2,5 оС (рис. 11, б).
С целью повышения температуры внутренней поверхности до значений выше температуры точки росы, авторами предлагается использовать техническое решение, представленное на рис. 12, а.
Сущность предлагаемого решения заключается в следующем: с наружной стороны на монолитное перекрытие укладывается керамический пустотелый кирпич на цементно-песчаном растворе = 1600 кг/м3 толщиной в полкирпича (6), с внутренней – кирпич керамический полнотелый на цементно-песчаном растворе = 1800 кг/м3 толщиной в один кирпич (7). Образовавшееся пространство между внутренним и наружным слоями кирпича заполняется вермикулитобетоном = 300 кг/м3 и толщиной 140 мм (8).
Рис. 12. Узел примыкания светопрозрачного ограждения к консольному перекрытию (предлагаемое техническое решение):
а – схема расположения конструктивных элементов;
б – распределение изотерм по внутренним поверхностям В результате реализации предложенного решения температура на внутренних поверхностях может быть повышена до значений 14,6...17,9 оС (рис. 12, б), что превышает значение температуры точки росы и, следовательно, такое конструктивное решение соответствует санитарно-гигиеническим требованиям.
Еще одним слабым местом являются наружные углы. Обосновывается это геометрией угла – неравенством площадей тепловосприятия и теплоотдачи, а также уменьшением коэффициента тепловосприятия. Рассмотрим наружное стеновое ограждение, представленное на рис. 13, а.
Рис. 13. Наружный угол (существующее конструктивное решение): а – схема расположения конструктивных элементов; б – распределение изотерм по внутренним поверхностям Наружный слой (1) выполнен из кирпича керамического полнотелого = 1600 кг/м3; внутренняя отделка (2) выполнена из гипсокартонных влагостойких листов = 1050 кг/м3; пространство между керамическим кирпичом и ГКЛ заполнено пенобетоном (4) = 300 кг/м3 толщиной 350 мм. Монолитная плита перекрытия опирается на колонну (3) сечением 400х200 мм, расположенную в наружном углу.
В результате проведенных по программе «TEMPER-3D» расчетов установлено, что минимальная температура в месте примыкания монолитного перекрытия к колонне составляет 10,5 оС, а по поверхности колонны – температура не превышает значения 11,5 оС (рис. 13, б).
Для повышения температуры внутренней поверхности предложено произвести вставку из эффективного теплоизоляционного материала – плит пенополистирольных = 40 кг/м3 (5), в пространство за колонной, как показано на рис. 14, а.
Рис. 14. Наружный угол (предлагаемое техническое решение): а – схема расположения конструктивных элементов; б – распределение изотерм по внутренним поверхностям В результате предложенного решения температура повышается до значения 13,6 оС в трехгранном углу и до 14,5 оС на поверхности колонны (рис. 14, б), что соответствует санитарно-гигиеническим требованиям.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
1. Наружные ограждающие конструкции зданий, возводимых по традиционной технологии из кирпича, а также монолитных зданий, у которых в качестве облицовки телоизоляционного слоя используется тонкостенная защитно-декоративная штукатурка, обладают наилучшими показателями теплотехнической однородности (коэффициенты вариации менее 0,25 %, стандартное отклонение находится в пределах от 0,3 до 0,5). Частотно-температурные гистограммы описываются законом нормального распределения.Ограждающие конструкции зданий, возводимых из сборных однослойных стеновых элементов на основе легких бетонов (крупноблочное домостроение и здания серии «КЖ»), имеют зоны повышенных температур в межблочных (межпанельных) швах, что ведет к образованию незначительной правосторонней асимметрии. Коэффициенты вариации находятся в пределах 0,25…0,35 %, а стандартное отклонение составляет 0,6…0,8.
Ограждающие конструкции зданий, имеющие конструктивные сквозные теплопроводные элементы-рассечки, например монолитные перекрытия, а также ограждения панельных зданий, возводимых из 3-слойных стеновых панелей, обладают наибольшим разбросом температур, что свидетельствует о значительных и протяженных участках теплопотерь. Гистограммы таких ограждений имеют выраженную протяженную правостороннюю асимметрию, в ряде случаев образующую бимодальное распределение. Коэффициенты вариации имеют максимальные значения, превышающие 0,45 % (0,71 % у панелей на дискретных связях и 0,83 % – на ребрах). Стандартное отклонение превышает значение 1,2.
2. Установлено, что для получения объективных результатов при проведении тепловизионных обследований стеновых панелей на ребрах при скоростях ветра от 0 до 1 м/с температурный перепад между наружной и внутренней средой должен составлять не менее 10 оС, а при скоростях ветра свыше 1 м/с – быть более 20 оС. Проведение натурных обследований, при меньших температурных перепадах является нецелесообразным из-за погрешности, вносимой контрольно-измерительной аппаратурой, превышающей регистрируемые параметры, и может использоваться только для предварительной оценки конструктивного исполнения ограждения.
3. Наибольшее влияние на коэффициент вариации и, следовательно, на точность результатов обследования оказывает температура наружного воздуха, причем эффективность обследований при скоростях ветра менее 1 м/с возрастает более чем в 1,5 раза в принятом температурном диапазоне.
4. Совместное использование результатов тепловизионных обследований с результатами теоретических расчетов ведет к повышению достоверности и объективности получаемых теплотехнических показателей ограждающих конструкций.
5. Представление реальных распределений температур методом тепловизионного контроля в виде частотно-температурных гистограмм позволяет выявить конструктивные особенности и дефекты наружных ограждений.
Опыт практического использования метода теплового неразрушающего контроля позволил дифференцировать дефекты тепловой защиты зданий по признаку образования на проектные, эксплуатационные и производственные, которые в свою очередь подразделяются на конструктивные и монтажные.
6. Разработаны и внедрены в практику строительства технические решения узлов наружных ограждающих конструкций панельного и монолитного домостроения с улучшенными теплотехническими характеристиками, обеспечивающие санитарно-гигиенические требования и повышающие класс энергетической эффективности зданий.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
1. Использование программных комплексов для повышения достоверности результатов тепловизионных обследований / Р. А. Назиров, Д. А. Михеев, Е. В. Пересыпкин, О. В. Соловьева // Строительные материалы. – 2007.
– № 7. – С. 52–53.
2. Использование высокотеплопроводных материалов для улучшения температурно-влажностных характеристик наружных углов стен, угловых и рядовых стыков строительных конструкций / Р. А. Назиров, О. В. Соловьева, Д. А. Михеев, Е. В. Пересыпкин // Изв. вузов. Строительство. – Новосибирск : НГАСУ, 2008. – № 8. – С. 98–101.
3. Назиров, Р. А. Тепловизионное обследование и диагностика зданий и сооружений / Р. А. Назиров, Г. П. Кузема, Д. А. Михеев // Материалы V Всерос. науч.-практ. конф. – Красноярск, 2004. – С. 214–215.
4. Кузема, Г. П. К вопросу о перспективности применения типовых колодцевых кладок для наружного ограждения жилых зданий в Красноярском крае / Г. П. Кузема, Д. А. Михеев, Р. А. Назиров // Материалы V Всерос. науч.-практ. конф. – Красноярск, 2004. – С. 216–217.
5. Михеев, Д. А. Нормативы нового поколения. Тепловизор как необходимый инструмент оценки энергоэффективности в строительстве / Д. А. Михеев, Р. А. Назиров // Материалы конференции 22–23 апреля 2005 г.
Вып. XI. – Красноярск : КГТУ, 2005. – С. 141–143.
6. Захарьин, Е. Н. Теплотехнические показатели панелей на жестких и гибких связях / Е. Н. Захарьин, Д. А. Михеев // Сб. материалов XXIII регион.
науч.-техн. конф. – Красноярск : КрасГАСА, 2005. – С. 128–129.
7. Неупокоев, П. С. Качественная тепловизионная оценка зданий и сооружений / П. С. Неупокоев, Д. А. Михеев // Сб. материалов XXIII регион.
науч.-техн. конф. – Красноярск : КрасГАСА, 2005. – С. 131–132.
8. Михеев, Д. А. Качественная тепловизионная оценка здания из сборного железобетона / Д. А. Михеев, Р. А. Назиров, Н. Г. Захарьин // Вестник КрасГАСА : сб. науч. тр. Всерос. науч.-практ. конф. Вып. 8. – Красноярск :
КрасГАСА, 2005. – С. 176–183.
9. Захарьин, Е. Н. Применение компьютерных программ при обследовании наружных ограждающий конструкций тепловизионным методом / Е. Н. Захарьин, Д. А. Михеев // Сб. материалов XXIV регион. науч.-техн.
конф. – Красноярск : КрасГАСА, 2006. – С. 218–219.
10. Михеев, Д. А. Теплотехнический расчет наружных стеновых панелей серии 135М / Д. А. Михеев, Р. А. Назиров // Материалы конференции 19–21 апреля 2006 г. Вып. XII. – Красноярск : Платина, 2006. – С. 134–140.
11. Назиров, Р. А. Использование компьютерных программ по расчету температурных полей. Оценка применяемых конструктивных решений стеновых ограждений в строительном комплексе г. Красноярска / Р. А. Назиров, Д. А. Михеев // Материалы конференции 19– 21 апреля 2006 г. Вып. XII. – Красноярск : Платина, 2006. – С. 141–150.
12. Михеев, Д. А. Однородность наружных ограждающих конструкций / Д. А. Михеев, Е. С. Ермилова // Сб. материалов XXV регион. науч.-техн.
конф. – Красноярск : Сибирский федеральный ун-т, 2007. – С. 273–276.
«