Дослідження факторів, що впливають на теплостійкість зовнішніх стінових огороджувальних конструкцій цивільних будівель

 

 

 

 

В роботі представлені результати теоретичних досліджень впливу місця розташування утеплювача, його щільності та товщини на теплостійкість легких огороджувальних конструкцій.

В работеприведены результаты теоретических исследований влияния расположения утеплителя и его плотности на теплостойкость легких ограждающих конструкций.

This paper presents the results of theoretical researches of influence of the heat insulation material, its density and thickness on the heat resistance of enclosing lightweight construction.

Ключові слова:

Утеплювач, теплостійкість.

Утеплитель, теплостойкость.

Heatinsulationmaterial, heatresistance.

 

Постановка проблеми у загальному вигляді. В наш час, все більше розповсюдження набувають каркасні монолітні будівлі в яких несучі функції виконує каркас, що складається з колон або внутрішніх несучих монолітних стін. Найчастіше такі будівлі використовуються в сейсмічних південних регіонах країни. Стінові огородження виконують тільки огороджувальні функції (теплозахист, повітропроникність, теплостійкість тощо), тому вони виконуються самонесучими зі спиранням на фундаменти або монолітні перекриття і виготовляються якомога легшими. Для легких конструкцій на перший план виходить проблема забезпечення теплостійкості.

Аналіз останніх досліджень та виділення не розв’язаних раніше частин загальної проблеми. Питанням дослідження теплостійкості огороджувальних конструкцій займались такі дослідники як Фокін К. Ф. [1], Богословський В. Н. [2], Фаренюк Г. Г. [5, 7]. Нормативні вимоги до теплостійкості огороджувальних конструкцій представлені в [4]. Процес визначення амплітуди коливань температури на внутрішній поверхні стіни є доволі об’ємною задачею і виконувати варіантне проектування для різних типів складових елементів огородження займає багато часу. Саме тому метою даної статті є дослідження впливу товщини шарів, їх щільності та розташування на теплостійкість огородження.

Виклад основного матеріалу. Зазвичай внутрішній шар огороджувальної конструкції виконують з цегли, товщиною 0, 12м та 0, 25 м, або з ніздрюватого бетону товщиною 0, 3 м та 0, 4 м та утеплювача з ефективних легких матеріалів тощо. Для таких “легких” конструкцій питання їх теплостійкості набуває першочергового значення. Теплостійкість огороджувальних конструкцій оцінюється величиною амплітуди коливань температури на внутрішній поверхні зовнішнього огородження у літній період року. Для житлових та громадських будівель, навчальних та лікувальних закладів величина амплітуди не повинна перевищувати 2, 5°С. При дослідженні розглядалася конструкція, яка складається з шару цегли, товщиною 0, 12 м та 0, 25 м, та утеплювача з мінеральної вати щільністю від 70 кг/м3 до 220 кг/м3. Товщина утеплювача приймалася з умов забезпечення стіновою конструкцією необхідної величини теплового опору. Щільність цегли приймалась 1600, 1700, 1800 кг/м3. На рисунку 1 наведена розрахункова схема огороджувальної конструкції при розташуванні утеплювача з зовнішньої сторони. Теоретичні дослідження виконувалося для житлового будинку у м. Ялта, розташованому у IV температурній зоні[3].

На першому етапі досліджувалося, як впливає щільність утеплювача на теплостійкість огородження. Зміна щільності утеплювача приймалася від 70 кг/м3 до 220 кг/м3. Кожній щільності утеплювача відповідали свої значення коефіцієнтів теплопровідності та тепло засвоєння. Щільність цегляної кладки була прийнята 1800 кг/м3. Попередньо для кожної щільності визначалася необхідна товщина утеплювача, в табл. 1 наведені числові значення величини амплітуди коливань температури на внутрішній поверхні огородження в залежності від щільності утеплювача. Проводячи аналіз отриманих результатів можна зробити наступні висновки:

 

Рис. 1. Розрахункова схема огородження (при розташуванні утеплювача – ззовні)

 

Для стін, в яких товщина утеплювача підібрана із умов забезпечення необхідного рівня опору теплопередачі, а товщина цегляної кладки становить 120 мм умова теплостійкості для цивільних будинків не виконується. Стін з товщиною цегляної кладки 250 мм задовольняють вимогам теплостійкості.

Розташування утеплювача з зовнішнього боку огороджувальної конструкції підвищує теплостійкість стіни на 60%.

Збільшення товщини цегляної кладки зі 120 мм до 250 мм підвищує теплостійкість конструкції в 4, 5 рази (при збереженні значення опору теплопровідності, а значить і зменшенні товщини утеплювача).

 

Таблиця 1

Залежність між амплітудою коливань температури на внутрішній поверхні стіни, щільністю утеплювача та товщиною цегляної стіни

 

Щоб простежити залежність між зміною амплітуди коливань температури та щільністю утеплювача на другому етапі досліджувалася теплостійкість огородження з фіксованими товщинами утеплювача, які приймалася 0, 07 м та 0, 09 м. Величина щільності приймалася від 70 кг/м3 до 220 кг/м3. Слід зазначити що умова, щодо відповідності приведеного опору теплопровідності мінімальному нормативному значенню забезпечується для всіх значень щільності утеплювача при його товщини 0, 09 м. Для товщини 0, 07 м умова щодо опору теплопередачі виконується для щільності утеплювача 70 кг/м3. На рисунку 2 наведено графік залежності цих величин.

 

Рис. 2. Графіки залежності амплітуди коливання температур на внутрішній поверхні стіни для фіксованих товщин утеплювача70 та 90 мм при розташуванні його ззовні огорожі (товщина цегли 120 мм)

 

Як видно з графіку, зі зменшенням щільності утеплювача амплітуда коливань зменшується, але не досягає нормованої величини 2, 5°С, з чого можна зробити висновок, що при проектуванні теплової ізоляції з використанням легких ізолюючих матеріалів для південних регіонів України підбір товщини утеплювача необхідно виконувати із умов теплостійкості, при цьому умови щодо опору теплопровідності виконуються автоматично.

На третьому етапі досліджувався вплив щільності шару цегли на теплостійкість огородження (рис. 3). Шар цегли приймався товщиною 0, 12 м. Величина щільності приймалась 1600, 1700, 1800кг/м3. Товщина утеплювача при цьому була сталою 0, 09 м при щільності 70 кг/м3. Розташування утеплювача – ззовні огороджувальної конструкції.

На четвертому етапі досліджувався вплив товщини утеплювача на величину амплітуди коливань температур на внутрішній поверхні стіни. Розглядалось два випадки – з розташуванням утеплення з зовні та з середини приміщення. Товщина утеплювача змінювалася: від 0, 07 до 0, 13 м – для зовнішнього утеплення та від 0, 07 до 0, 23м – для внутрішнього утеплення. Щільність утеплювача приймалася 110 кг/м3. Шар цегли товщиною 0, 12 м та щільністю 1800 кг/м3. Графіки залежності наведено на рисунку 4. Також на рисунку 4 показаний графік зміни приведеного опору теплопередачі стіни в залежності від товщини утеплювача. Провівши аналіз отриманих результатів (рис. 4) можна зробити висновок, що для забезпечення виконання умови теплостійкості огородження, товщина утеплювача повинна бути збільшена в майже в 2 рази (для зовнішнього використання утеплювача). Використання утеплювача з внутрішнього боку на нашу думку не доцільно, тому що кількість необхідного утеплювача збільшується більше ніж в 3 рази, що призводить до значних затрат на етапі будівництва.

 

Рис. 3. Графік залежності величини щільності цегли та величини амплітуди коливань, при сталій товщині утеплювача 90 мм та його розташуванні ззовні

 

В результаті проведених досліджень можна зробити наступні висновки:

Щільність утеплювача суттєво не впливає на величину теплостійкості огородження, отже результаті інших досліджень отриманих для одного виду утеплювача можна інтерполювати на всі інші утеплювачі.

В розглядуваних фасадних системах при використанні основного несучого шару з цегли товщиною 250 мм умова щодо теплостійкості виконується автоматично при виконанні умови забезпечення мінімального значення опору теплопередачі. В огороджувальних конструкціях з товщиною шару цегли 120 мм, для забезпечення умов теплостійкості товщина шару утеплювача збільшується в 2 рази порівняно з розрахунком за умови виконання необхідного приведеного опору теплопередачі.

При збільшенні щільності цегляного шару вплив на теплостійкість огородження не змінюється.

Більш доцільним з точки зору забезпечення теплостійкості є розташування більш масивного шару огородження (шар цегли) з внутрішньої сторони.

Найбільш суттєво впливає на теплостійкість огородження товщина більш масивного його шару (шар цегли), що свідчить про те що при збільшенні товщини шару в 2 рази теплостійкість збільшується в 4, 5 рази.

 

Рис. 4. Графік залежності величини амплітуди коливань температури внутрішньої поверхні стіни (А) та приведеного опору теплопередачі (R) від товщини утеплювача, при товщині цегли 120 мм і розташуванні утеплювача ззовні (а) і зсередини (б) приміщення (щільність утеплювача 110 кг/м3)

 

1. Фокин К. Ф. Строительнаятеплотехнікаограждающихчастей зданий. – 4-е изд, перераб. и доп. – М. : Стройиздат, 1973. -287с.

2. Богословский В. Н. Строительнаятеплофизика: Учебник для вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М. : Высш. школа. 1982. – 415 с., ил.

3. СНиП 2. 01. 01-82. Строительнаяклиматология и геофизика / Госстрой СССР. – М. : Стройиздат СССР, 1983. – 136 с.

4. Руководство по теплотехническомурасчету и проектированиюограждающихконструкций зданий / НИИСФ. – М. : Стройиздат, 1985. – 141 с.

5. Хоменко В. П., Фаренюк Г. Г. Справочник по теплозащите зданий. – К. : Будівельник, 1986. – 216 с.

6. ДБН В. 2. 6-31: 2006. Конструкції будинків і споруд. Теплова ізоляція будівель. Мінбуд України. – Київ, 2006. – 68 с.

7. Фаренюк Г. Г. Основи забезпечення енергоефективності будинків та теплової надійності огороджувальних конструкцій. – К. : Гама-Принт. – 2009. – 216 с.