Саратовская область, Россия
Саратовская область, Россия
ГРНТИ 67.01 Общие вопросы строительства
ББК 386 Технология строительного производства
При резком падении температуры наружного воздуха значительно увеличиваются теп-ловые потери через увлажненные наружные стены многоквартирных домов г. Саратова, утепленных по технологии «мокрый фасад». Данные теплопотери на 10–20 % превышают нормативные значения. Также происходит ухудшение параметров микроклимата в помеще-ниях квартир. Для устранения неблагоприятных последствий проводилось исследование процессов, происходящих в переувлажненных наружных каменных стенах многоквартирных домов, имеющих продолжительный срок эксплуатации. Были определены теплоэнергетиче-ские параметры увлажненного и промерзшего слоев стен. Полученные теоретические зави-симости сопротивления теплопередачи находящегося в зоне отрицательных температур увлажненного слоя каменной стены, и теплопотерь через данную стену, от объёмной влаж-ности и плотности силикатного кирпича, позволили получить необходимые поправочные коэффициенты, увеличивающие точность расчетов необходимого теплоизоляционного слоя, обеспечивающего оптимальный температурно-влажностный режим помещений.
многоквартирный дом, параметры микроклимата помещений, теплоизоляционные матери-алы, коэффициент теплопроводности, поправочный коэффициент.
Введение. Осмотр фасадов многоквартирных жилых домов вторичного жилищного фонда г. Саратова показал яркие примеры «точечного» утепления наружных стен по технологии «мокрый фасад», где в качестве теплоизоляционного материала в 84 % случаев применяется пенопласт, толщиной 100 мм и в 16 % случаев пенополистерол, толщиной 50 мм [1].
Несколько многоквартирных домов г. Саратова с «точечным» утеплением были выбраны в качестве объектов исследований с целью выяснения причин появления конденсата, увлажнения и промерзания наружных утепленных кирпичных стен, что привело к ухудшению таких параметров микроклимата помещений квартир, как влажность и температура внутреннего воздуха. Теплопотери через данные стены больше нормативных показателей на 10–20 %, что говорит о снижении энергоэффективности рассматриваемых домов [1].
Исследования показали, что переувлажнение наружных каменных стен, утепленных по технологии «мокрый фасад», происходит в результате ошибок на стадии проектирования, монтажа и последующей неправильной эксплуатации жилых многоквартирных домов, связанной с нарушением сроков и технологии проведения ремонтов. Под воздействием низких температур наружный увлажненный слой стен подвергается промерзанию на определенную толщину δз, меняющуюся с течением времени [2, 3, 4].
Нормативные данные, изложенные в СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий», практически не позволяют оценить теплопроводность переувлажненного материала ограждающих конструкций, а также зависимость теплопроводности от фазовых превращений влаги в его структуре при тепломассопереносе. Проводилось изучение влияния климатических факторов г. Саратова на теплоизоляционные характеристики наружных каменных стен, которое показало, что в январе имеются значительные колебания амплитуды температуры наружного воздуха и упругостей водяного пара воздушных сред по обе стороны стен домов. Нормативные параметры были взяты из СП 131-13330.2012 «Строительная климатология». Результаты исследований показали большую вероятность интенсивной передачи и накопления парообразной влаги в толще наружных каменных стен, что необходимо учитывать при создании оптимальной системы теплоизоляции.
Теплообменные процессы в переувлажненных стенах зависят от фазовых превращений влаги. Влага, находящаяся в каменной кладке, замерзая, превращается в лед, который при положительных температурах наружного воздуха тает, испаряется, а за тем конденсируется. Очевидно, что данное явление приводит к изменению теплофизических показателей силикатного кирпича и кладочного раствора, теплового баланса и снижению энергоэффективности стены, постепенному снижению прочности каменной кладки, что заметно по внешним признакам теплоизоляции каменной стены одного из обследуемых многоквартирных домов г. Саратова (рис. 1).
Рис. 1. Наличие влаги в теплоизоляционном слое фасада многоквартирного дома
Слой теплоизоляции каменной стены, утепленной снаружи, позволяет удерживать ее в зоне положительных температур, что способствует увеличению срока службы стен и дома в целом [5, 6, 7].
В однослойном однородном ограждении, каковым и является каменная стена, влага может подвергаться замерзанию до границы, где линия падения температуры по толщине конструкции стены опускается ниже нуля [8].
Методология. Проводилась оценка теплопроводности увлажнённой каменной кладки домов в конструктивном слое с отрицательной температурой, определялись термическое сопротивление и тепловые потери наружной каменной стены с учётом промерзания силикатного кирпича в климатических условиях г. Саратова.
Исследования проводились в декабре 2017 г.
- январе 2018 г. и основывались на использовании модели, учитывающей только промерзание увлажненной каменной кладки из силикатного кирпича и позволяющей оценить изменение коэффициента теплопроводности каменной стены [6, 9, 10].
Были приняты следующие допущения:
- с наступлением периода отрицательных температур на наружной поверхности стены температура понизилась до отрицательной величины;
- в толще стены на подвижной границе промерзания сохраняется температура начала промерзания влаги tз;
- в мерзлой и во влажной зоне каменной стены изменение температуры происходит по линейному закону.
Очевидно, что для длительного и замедленного характера изменения низких температур граница промерзания движется со скоростью близкой к нулю [11, 12]. Исходя из данного утверждения уравнение теплового баланса на границе мерзлой и влажной зон из условий стационарной теплопередачи, будет иметь следующий вид, Вт/(м·°С) [6]:
(1)
где tз – температура начала замерзания влаги в стене, °С; tн – температура наружного воздуха, °С; tв – температура внутреннего воздуха жилых помещений, °С; λз, λв – соответственно коэффициенты теплопроводности материала в мерзлой и влажной зонах наружной стены, Вт/(м·°С).
На основании рассмотренного уравнения коэффициенты теплопроводности силикатного кирпича и кладочного раствора в зоне промерзания однослойной однородной стены, Вт/(м·°С) [6, 11]:
(2)
|
|
(3)
где λс – коэффициент теплопроводности сухого материала, Вт/(м·°С); ωо – влажность рассматриваемого материала, % по объему; δω – прирост коэффициента теплопроводности на 1 % влажности материала стены.
Величина прироста коэффициента теплопроводности зависит от вида кирпича стены, его плотности и очень сложно поддается систематизации для получения зависимости теплопроводности кирпича от его влажности [13, 14, 15].
Известно, что в конструкциях наружных каменных стен зданий температура начала замерзания имеющейся влаги колеблется в пределах от –1 °С до -3 °С. Была принята максимально возможная величина δз, находящаяся у границы нулевого значения температуры на линии ее распределения по толщине каменной стены [4, 6].
Условия, принятые для проведения исследований:
- толщина кирпичной стены дома стандартная по проекту δ=510 мм;
- значения коэффициента теплопроводности кирпичной стены λв приняты по данным исследований;
- каменная стена оштукатурена с внутренней стороны толщиной δш=10 мм, с коэффициентом теплопроводности λш=0,93 Вт/(м·°С) для условий Б, приведенных в СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий»;
- температура внутреннего воздуха помещений квартир дома tв=20 °С;
- коэффициенты теплоотдачи поверхностей кирпичной стены:
внутренней – αв= 8,7 Вт/(м °С);
наружной – αн= 23 Вт/(м °С).
В ходе исследований были рассмотрены утепленные наружные каменные стены нескольких домов, выполненные из силикатного кирпича плотностью ρ от 1700 до 2000 кг/м3 при влажности материала до 15 %.
Основная часть. Толщина слоя не утепленной кирпичной стены, который находится в зоне положительных температур [6], составляет, м:
(4)
где Rн – термосопротивление кирпичной стены, рассчитанное по нормативным значениям, приведенным в СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий» и равное 0,82 (м2·°С)/Вт.
Толщина слоя не утепленной кирпичной стены, находящегося в зоне отрицательных температур, м:
(5)
Расчетное значение коэффициента теплопроводности на основании выражения (2) составляет 1,13 Вт/(м °С).
Необходимо провести сравнение термического сопротивления наружной стены без учета ее промерзания (R) и с учетом промерзания (Rс) для расчетного значения коэффициента теплопроводности 
, так и для его экспериментального значения 
. Также необходимо определить значение тепловых потерь через 1 м2 каменной стены.
Тепловые потери через 1 м2 каменной стены без учета ее промерзания составляют, Вт:
(6)
Термическое сопротивление с учетом промерзания кирпичной стены для расчетного значения коэффициента теплопроводности, (м2·°С)/Вт:
(7)
Тогда тепловые потери через 1 м2 каменной стены с учетом промерзания для расчетного значения коэффициента теплопроводности, составят, Вт:
Таким образом, расхождение тепловых потерь через наружную кирпичную стену с учетом и без учета промерзания относительно расчетного коэффициента теплопроводности составит, %:
Термическое сопротивление кирпичной стены с учетом ее промерзания для экспериментального значения коэффициента теплопроводности, (м·°С)/Вт:
(8)
Тепловые потери через 1 м2 каменной стены с учетом ее промерзания для экспериментального значения коэффициента теплопроводности составят, Вт:
(9)
Расхождение тепловых потерь через наружную кирпичную стену с учетом и без учета глубины промерзания стены относительно экспериментально полученного коэффициента теплопроводности составляет, %:
Расхождение тепловых потерь с учетом промерзания для расчетного и экспериментального значений коэффициента теплопроводности составило, %:
Анализ полученных значений указывает на возрастание расхождений расчетных и экспериментальных значений коэффициента теплопроводности силикатного кирпича рассматриваемых каменных стен в области значений объемной влажности от 5 до 15 %.
Полученные графические зависимости теплопроводности силикатного кирпича от его плотности и влажности представлены на рис. 2 и 3.
|
3 |
|
3 |
|
3 |
Рис. 2. Зависимость экспериментального коэффициента теплопроводности
силикатного кирпича от плотности и влажности
|
3 |
|
3 |
|
3 |
Рис. 3. Зависимость расчетного коэффициента теплопроводности
силикатного кирпича от плотности и влажности
Для учета полученного расхождения между расчетными и экспериментальными значениями коэффициента теплопроводности в практических расчетах при создании оптимальной системы теплоизоляции были получены значения поправочных коэффициентов для силикатного кирпича, которые представлены в таблице 1.
Оптимальная толщина необходимого слоя теплоизоляционного материала, соответствующая нормативным параметрам энергосбережения каменных стен домов, определяется исходя из значения термического сопротивления, определенного по выражению 6, и равного
Rр=0,67 (м2·°С)/Вт.
Количество градусо-суток отопительного периода составляет, °С·сут/год:
(10)
где tн – средняя температура наружного воздуха, равная tн = -3,5 °С; nот – продолжительность отопительного периода, составляющая 188 сут./год. Данные взяты из СП 131-13330.2012 «Строительная климатология».
Полученное значение ГСОП отличается от приведенного в таблице 3 СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий», поэтому пересчет базового значения требуемого сопротивления теплопередаче каменной стены производится по выражению, (м2·°С)/Вт:
(11)
где a, b – коэффициенты, принимаемые из таблицы 3 СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий».
Нормируемое значение термического сопротивления кирпичной стены составляет 
=3,01 (м2·°С)/Вт.
Таблица 1
Поправочные коэффициенты
для силикатного кирпича
|
Плотность, кг/м3 |
Влажность, % |
Поправочный коэффициент |
|
1700 |
5 |
0,73 |
|
10 |
||
|
15 |
||
|
1800 |
5 |
0,67 |
|
10 |
||
|
15 |
||
|
2000 |
5 |
0,58 |
|
10 |
Сравнение полученного расчетного показателя с нормируемым значением показало разницу, равную, (м2·°С)/Вт:
Полученную разницу необходимо компенсировать за счет установки утеплителя, необходимая толщина которого определяется по выражению, м:
где λi – коэффициент теплопроводности утеплителя, Вт/(м °С). Для пенопласта было принято значение λп=0,052 Вт/(м °С), для пенополистерола – λп..п..=0,041 Вт/(м °С) (СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий»).
Проведенные исследования показали, что применение в климатических условиях г. Саратова в качестве утеплителя плит пенопласта толщиной 100 мм, вместо расчетных 120 мм, является необоснованным и способствующим переувлажнению и повышенным энергопотерям через наружные каменные стены домов. Применение пенополистерола толщиной 100 мм будет полностью соответствовать нормативным требованиям к теплоизоляции наружных стен (толщиной 510 мм) многоквартирных каменных домов.
Выводы. В результате проведенных исследований были установлены зависимости коэффициента теплопроводности силикатного кирпича в зоне промерзания утепленных наружных каменных стен многоквартирных домов от влажности и плотности. Были получены поправочные коэффициенты расчета коэффициентов теплопроводности силикатного кирпича, введение которых способствует достижению наименьших погрешностей в расчетах оптимальной системы теплоизоляции каменных стен разной плотности и влажности, что позволит повысить их энергоэффективность и улучшить параметры микроклимата в помещениях многоквартирных домов, длительное время эксплуатирующихся в климатических условиях г. Саратова.
1. Абдразаков Ф.К., Поваров А.В. Состояние вторичного жилищного фонда города Саратова // Исследования в строительстве, теплогазоснабжении и энергообеспечении: Материалы междунар. науч.-практ. конф. Под ред. Ф.К. Абдразакова, (Саратов, 17-18 ноября 2016 г.), Саратов: ФГБОУ ВО Саратовский ГАУ, 2016. С. 17-20.
2. Абдразаков Ф.К., Поваров А.В. Со-временные методы обследования техническо-го состояния зданий // Тенденции развития строительства, теплогазоснабжения и энерго-обеспечения: Материалы междунар. науч.-практ. конф. Под ред. Ф.К. Абдразакова. (Са-ратов, 17-18 марта 2016 г.), Саратов: ООО «Амирит», 2016. С. 21-25.
3. Куприянов В.Н. Конденсация парообразной влаги в наружных стенах при суточных колебаниях температуры наружного воздуха // Приволжский научный журнал. 2013. №2. С.17-22.
4. Куприянов В.Н., Петров А.С. Влаж-ностное состояние ограждающих конструк-ций с учетом переменного значения паропро-ницаемости материалов // Строительные ма-териалы. 2016. № 6. С. 40-43.
5. Абдразаков Ф.К., Поваров А.В., Сирота В.Т. Экологическая экспертиза проекта строительства современного многоэтажного жилого дома // Исследования в строительстве, теплогазоснабжении и энергообеспечении: Материалы междунар. науч.-практ. конф. Под ред. Ф.К. Абдразакова, (Саратов, 17-18 ноября 2016 г.), Саратов: ФГБОУ ВО Саратовский ГАУ, 2016. С. 13-17.
6. Мальцев А.В., Сорокин Д.С. Энерго-сбережение в многоэтажных жилых зданиях при инфильтрации воздуха через наружную стену // Новый университет. 2015. № 3-4 (37-38). С. 87-90.
7. Chi Feng, Qinglin Meng, Ya Feng, Hans Janssen. Influence of pre-conditioning methods on the cup test results // 6 th International Build-ing Physics Conference. 2015. Vol. 78. Pp. 1383-1388.
8. Пастушков П.П., Лушин К.И., Павлен-ко Н.В. Отсутствие проблемы выпадения конденсата на внутренней поверхности стен со скрепленной теплоизоляцией // Жилищное строительство. 2014. № 6. С. 42-44.
9. Гайсин А.М., Самоходова С.Ю., Пайметькина А.Ю., Недосеко И.В. Сравни-тельная оценка удельных теплопотерь через элементы наружных стен жилых зданий, определяемых по различным методикам // Жилищное строительство. 2016. № 5. С. 36-40.
10. Умнякова Н.П., Бутовский И.Н., Чебо-тарев А.Г. Развитие методов нормирования теплозащиты энергоэффективных зданий // Жилищное строительство. 2014. № 7. С. 19-23.
11. Пастушков П.П., Павленко Н.В., Кор-кина Е.В. Использование расчетного опреде-ления эксплуатационной влажности тепло-изоляционных материалов // Строительство и реконструкция. 2015. № 4 (60). С. 168-172.
12. Король Е.А., Пугач Е.М., Харькин Ю.А. Влияние технологических факторов на формирование связи слоев многослойной ограждающей конструкции // Вестник МГСУ. 2014. № 3. С. 67-75.
13. Ройфе В.С. Некоторые проблемы определения влажности материалов ограж-дающих конструкций зданий // Строительные материалы. 2015. № 6. С. 23-25.
14. Черепанов В.И., Некрасова Е.В., Чер-ных Н.А., Панченко Ю.Ф. Водостойкость си-ликатного кирпича // Строительные материа-лы. 2013. № 9. С. 10-11.
15. Blanco F., Garcı́a P., Mateos P., Ayala J. Characteristics and properties of lightweight concrete manufactured with cenospheres // Ce-ment and Concrete Research. 2012. №. 30. Pp. 1715-1722.
