Исследование влияния дефектов строительных работ на теплозащитные свойства фрагмента ограждающей конструкции с устройством навесной фасадной системы
Автор: Русанов Алексей Евгеньевич
Рубрика: Технология и организация строительного производства
Статья в выпуске: 2 т.13, 2013 года.
Бесплатный доступ
Исследовано влияние дефектов строительных работ на теплозащитные свойства фрагмента ограждающей конструкции в лабораторных условиях с помощью климатической камеры. Приведено сравнение результатов лабораторных испытаний с результатами математического моделирования процесса теплопередачи на ЭВМ.
Приведенное сопротивление теплопередаче, математическое моделирование теплопередачи, наружные ограждающие конструкции
Короткий адрес: https://sciup.org/147154348
IDR: 147154348
Текст научной статьи Исследование влияния дефектов строительных работ на теплозащитные свойства фрагмента ограждающей конструкции с устройством навесной фасадной системы
Значительные тепловые потери происходят через наружные стеновые ограждающие конструкции. Основная причина – пониженное значение их сопротивления теплопередаче, на которое влияют ошибки проектирования, ошибки и нарушения технологии при строительстве, неправильный режим эксплуатации ограждающих конструкций.
Основной характеристикой теплозащиты ограждающей конструкции является приведенное сопротивление теплопередаче (ПСТ), для непосредственного измерения которой разработаны ГОСТ 26254-84 [1], ГОСТ Р 54853-2011 [2], в основе которых заложено усреднение измеряемых в течении определенного промежутка времени величин теплового потока, температуры наружного воздуха, температуры внутреннего воздуха, температуры поверхностей. Использование тепловизионной техники необходимо для визуального представления распределения температур по поверхности (качественная оценка), а значение теплового потока и температур измеряют с помощью датчиков теплового потока и температуры соответственно (количественная оценка). Тем не менее на применение [1, 2] налагаются определенные условия обеспечения достоверности использования методик практического определения ПСТ:
-
1) обеспечение стационарного процесса теплопередачи через испытываемую конструкцию – неизменяемость или слабая изменяемость температуры по обе стороны ограждающей конструкции в течении длительного промежутка времени;
-
2) обеспечение широкого диапазона температур по обе стороны ограждающей конструкции для соблюдения минимальных погрешностей при последующем расчете ПСТ.
Данные требования обусловлены тем, что в реальных условиях колебания температур в течение суток значительны, что делает процесс теплопередачи нестационарным, а методику ГОСТ 26254-82 [1] и основанную на ней методику ГОСТ Р 54853-2011 [2] неприменимыми. Методики применимы только при обеспечении минимальных погрешностей измерений в лабораторных условиях, а в натурных – при обязательном соблюдении указанных выше требований. Одним из условий обеспечения минимальных погрешностей измерений является учет тепловой инерции исследуемой конструкции.
Смысл ПСТ заключается в том, что теплотехнически неоднородная конструкция приводится к тождественной по площади условной однородной конструкции при том, что потери тепла через обе конструкции одинаковы.
Важность правильного определения приведенного сопротивления теплопередаче ограждающей конструкции определяется тем, что данная характеристика вносится в энергетический паспорт и непосредственно фигурирует в расчете удельного энергопотребления здания.
В настоящее время для количественной оценки уровня теплозащиты ограждающей конструкции – значения ПСТ – предусмотрены следующие способы: натурные испытания; лабораторные испытания; математическое моделирование процесса теплопередачи с помощью ЭВМ.
Для точной оценки уровня теплозащиты ограждающих конструкций необходимо учитывать влияние дефектов строительных работ и различных теплопроводных включений. Под дефектом в данном случае будем понимать любое отклонение от технологии строительства, ведущее к дополнительным тепловым потерям, и не учтенное в проекте. Необходима методика моделирования влияния дефектов, обеспечивающая достаточную для последующего применения достоверность определения ПСТ ограждающих конструкций. Для этого, согласно ГОСТ 26254-84 [1] необходимо производить лабораторные испытания с применением климатических камер: исследуемый ФОК (фрагмент ограждающей конструкции) устанавливается между «холодным» и «теплым» отсеками камеры, после чего задаются необходимые температурные режимы.
Возможно также моделирование влияния различных теплопроводных включений и дефектов строительных работ – анализ температурных полей численными методами математического моделирования с помощью ЭВМ и последующим расчетом ПСТ. Наиболее распространенной и положительно себя зарекомендовавшей является программа моделирования двухмерных температурных полей – ELCUT версии 5.10.1 [3]. Выбор двухмерной программы связан с наглядностью и удобством задания теплофизических характеристик составляющих конструкции и их геометрии.
Анализ температурных полей численными методами математического моделирования имеет следующие преимущества: имитирование реальных условий процесса теплопередачи, высокая скорость расчета, высокая точность расчета. Тем не менее для проверки достоверности результатов математического моделирования с помощью ЭВМ необходимо сравнение с лабораторными испытаниями, проводимыми в соответствии с нормативно-установленной методикой, аналогичных по конструктиву и температурным режимам конструкций.
В работе приведен анализ результатов лабораторных испытаний и результатов математического моделирования на ЭВМ.
Испытание дефектов для фрагмента ограждающей конструкции (ФОК) было реализовано в лабораторных условиях 8.07.2013 – 22.07.2013, что позволило обеспечить контроль за установленным температурным режимом и имитацию реального уровня качества монтажа ФОК. Испытания прово- дились в аттестованной научно-исследовательской лаборатории УНЦ «Строительство» ФГБОУ ВПО ЮУрГУ (НИУ), имеющей свидетельство № 424 о состоянии измерений в лаборатории, выданное ФБУ «Челябинский ЦСМ» и действующее до 05.07.2016 г. Испытания проводились в соответствии с ГОСТ 26254-84 [1].
Для определения теплофизических величин испытываемых фрагментов была использована специально-изготовленная приборно-испытательная установка, состоящая из передвижного стенда (рис. 1), климатической камеры (рис. 2), комплекта приборного оборудования.
Конструкция передвижного стенда позволяла многократно и оперативно изменять конструктивные особенности ФОК – моделировать i -й дефект – и перемещать до 1 м от климатической камеры для подготовительных работ. После подготовки ФОК для проведения испытаний, передвижной стенд со смонтированным на нем ФОК пододвигался к климатической камере до плотного примыкания через теплоизолирующие элементы.
Климатическая камера MHU-800CLSA с полезным объемом 0,8 м3 применялась для создания по обе стороны исследуемого ФОК «теплого» и «холодного» отсеков с автоматическим поддержанием температуры на заданном уровне. В качестве «теплого» отсека климатической камеры выступало помещение проведения испытаний, где температура воздуха практически постоянная, из-за условий эксплуатации. Таким образом, процесс теплопередачи через исследуемые фрагменты можно было считать стационарным.

Рис. 1. Передвижной стенд

Рис. 2. Климатическая камера
Комплект приборного оборудования включал в себя:
-
• 10-канальный прибор ИТП-МГ4.03-10 «Поток» для измерения и регистрации температур и плотности тепловых потоков для каждого испытания продолжительностью не менее 1 сут с интервалом 30 мин (рис. 3);
-
• тепловизор FLIR E60 с матрицей 320×240 пикселей для термографирования поверхности исследуемого ФОК;
-
• термогигрометр ТГЦ-МГ4 для измерения параметров микроклимата в «холодном» отсеке климатической камеры;
-
• термогигрометр ТЕМП-3.2 для измерения параметров микроклимата в «теплом» отсеке климатической камеры;
шириной 10 мм), дефект стыка плит утеплителя и кронштейна для крепления направляющих (ширина стыка 15 мм). Характеристики исследуемых фрагментов представлены в табл. 1.
Предусматривалось определение свойств используемых материалов. Исследования свойств газобетона проводились в соответствии с ГОСТ 12730.2-78 «Бетоны. Метод определения влажности» [5]. Исследование свойств используемых теплоизоляционных материалов проводилось в соответствии с ГОСТ 17177-94 «Материалы строительные теплоизоляционные. Методы испытаний» [6]. Коэффициенты теплопроводности используемых материалов определялись согласно ГОСТ 30256-94 «Материалы и изделия строительные. Метод определения теплопроводности цилиндрическим зон-

Рис. 3. Проведение испытаний
-
• анемометр-термометр цифровой ИСП-МГ4.01 для измерения средней скорости воздушного потока;
-
• измеритель теплопроводности ИСП-МГ4 «ЗОНД» для измерения коэффициента теплопроводности материала.
Объектами лабораторного исследования являлись фрагмент многослойной ограждающей конструкции с устройством НФС. Размеры фрагмента: высота – 1275 мм, ширина – 1255 мм, толщина – 300 мм. Толщина фрагмента определялась из условия соблюдения поэлементных требований СНиП 23-02-2003 [4] для условий г. Челябинска. В качестве несущего слоя использовалась кладка из пазогребневых газобетонных блоков маркой D500 размером 200×250×625 мм. Вертикальные и горизонтальные швы кладки выполнены на клею Ceresit CT 21 толщиной 5 мм. Моделирование влияния на теплозащиту фрагмента рассмотрено на примере характерного дефекта СМР при устройстве НФС: дефект стыка плит утеплителя (2 стыка дом» [7]. Физико-технические характеристики материалов при проведении лабораторных испытаний представлены в табл. 2.
Экспериментальные значения коэффициентов теплопроводности показывают хорошую сходимость с расчетными значениями. Для последующих расчетов приняты экспериментальные значения.
Согласно паспорту на прибор ИТП-МГ4.03-10 «Поток» основная относительная погрешность при измерении плотности теплового потока ±6 %, основная абсолютная погрешность при измерении температуры ±0,2 °С. Согласно требованию ГОСТ 26254-84 [1] суммарная относительная погрешность определения сопротивления теплопередаче не должна превышать 15 %. Для того чтобы относительная погрешность измерения сопротивления теплопередаче была ≤ 5 %, согласно Приложению 3 [1] были определены диапазоны температур воздуха «холодного» отсека для каждого исследуемого фрагмента ограждающей конструкции (табл. 3).
Таблица 1
Физико-технические расчетные характеристики исследуемых фрагментов наружных стен с устройством НФС
№ |
Конструкционные слои |
Состав |
Коэффициент теплопроводности λ A , Вт/(м·°C) |
1 |
Несущий слой (толщина 200 мм) |
Автоклавный газоблок марки D500 200×250×625 мм |
0,18 |
Клей Ceresit CT 21 |
0,7 |
||
2 |
Слой утеплителя (минераловатные плиты, толщина 100 мм) |
Лайнрок Венти Оптимал ρ o = 80÷100 кг/м 3 1000×500×100 мм |
0,042 |
3 |
Крепление плит утеплителя |
Тарельчатые дюбели с металлическим гвоздем Mungo MDD-S 160×8 мм |
58 |
4 |
Крепление направляющих для устройства НФС (оцинкованная сталь) |
Кронштейн КР «Альтернатива» 150×50×50 мм |
58 |
Дюбель фасадный с шурупом MBK-STB 10×100/50 |
58 |
Физико-технические характеристики материалов при проведении лабораторных испытаний фрагментов наружных стен
Таблица 2
№ |
Наименование |
ρ эксп , кг/м |
ω В , % |
λ 'эксп Вт/(м·°C) |
1 |
Газоблок D500 |
550 |
8,1 |
0,181 |
2 |
Лайнрок Венти Оптимал |
78 |
0,63 |
0,037 |
Условия проведения лабораторных испытаний
Таблица 3
Наименование |
Диапазон t , °C |
Стандартное отклонение, δ, Вт/(м2·°C) |
Относительная погрешность, ε, % |
ФОК с НФС |
–39,0…–30,0 |
0,157 |
4,64 |
Дополнительно погрешность определения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций оп ределяется согласно формуле
Δ= (Δt)2+(Δq)2+(Δm)2, где Δ – суммарная относительная погрешность определения сопротивления теплопередаче, %; Δt – относительная погрешность при измерении температуры, %; Δq – относительная погрешность при измерении плотности теплового потока, %; Δm – относительная методическая погрешность, %.
Согласно паспорту прибора ИТП-МГ4.03-10 «Поток», основная относительная погрешность при измерении температуры – составляет не более 1 %; при измерении плотности тепловых потоков – не более 6 %. Согласно МДС 23-1.2007 [8], относительная методическая погрешность – не более 3 %. Таким образом, суммарная относительная погрешность определения сопротивления теплопередаче не превышает 6,8 %. Требования ГОСТ 26254-84 [1] соблюдены.
Продолжительность лабораторного исследования влияния каждого дефекта соответствовала требованиям ГОСТ 26254-84 [1] по тепловой инерции ФОК и составило 7 сут.
Математическое моделирование в ПК «ELCUT» ФОК осуществлялось при обязательном соблюдении следующих условий:
-
• геометрические размеры тождественны размерам исследуемого в лабораторном эксперименте фрагмента;
-
• физико-технические характеристики принимаются аналогичными характеристикам исследуемого фрагмента в лабораторном эксперименте;
-
• граничные условия для моделируемого фрагмента принимаются аналогичными условиям, при которых определялось приведенное сопротивление теплопередаче в проведенных согласно требованиям ГОСТ 26254-84 [1] лабораторных испытаниях.
Результаты определения ПСТ согласно данным, полученным в лабораторных испытаниях и при моделировании в программе «ELCUT» (табл. 4).
Анализ результатов показывает их достоверное согласование.
По результатам проведенного исследования сформулированы следующие выводы:
Таблица 4
Результаты определения приведенного сопротивления теплопередаче согласно данным, полученным в лабораторных испытаниях и при моделировании в программе «ELCUT»
Наименование |
пр o, эксп , Вт/(м2·°C) |
пр R o, ELCUT , Вт/(м2·°C) |
Расхождение, % |
ФОК + 8 дюбелей |
3,24 |
3,38 |
4,64 |
ФОК + 8 дюбелей + дефект стыка плит утеплителя (2 стыка по 10 мм) |
2,26 |
2,40 |
6,20 |
ФОК + 6 дюбелей + 1 кронштейн без стыка + 1 кронштейн с дефектом стыка с плитой утеплителя (1 стык 15 мм) |
3,08 |
2,89 |
6,60 |
-
1) проведенное испытание метода оценки влияния дефектов строительных работ на теплозащиту с помощью математического моделирования, подтвержденного результатами лабораторного эксперимента, говорит о его достоверности и возможности применения в дальнейших исследованиях;
-
2) выявлена зависимость прогноза теплозащитных свойств ограждающих конструкций от качества монтажных работ;
-
3) определено количественное влияние наиболее характерных дефектов строительных работ ограждающих конструкций с устройством НФС;
-
4) показана важность оценки качества выполнения строительных работ по параметрам энергоэффективности.
Список литературы Исследование влияния дефектов строительных работ на теплозащитные свойства фрагмента ограждающей конструкции с устройством навесной фасадной системы
- ГОСТ 26254-84 «Здания и сооружения. Методы определения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций».
- ГОСТ Р 54853-2011 «Здания и сооружения. Метод определения сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций с помощью тепломера».
- ELCUT. Моделирование двумерных полей методом конечных элементов. Версия 5.10: рук. пользователя/ООО «ТОР». -СПб., 2012. -356 с.
- СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий».
- ГОСТ 12730.2-78 «Бетоны. Метод определения влажности».
- ГОСТ 17177-94 «Материалы строительные теплоизоляционные. Методы испытаний».
- ГОСТ 30256-94 «Материалы и изделия строительные. Метод определения теплопроводности цилиндрическим зондом».
- МДС 23-1.2007 «Методические рекомендации по комплексному теплотехническому обследованию наружных ограждающих конструкций с применением тепловизионной техники».