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.