Возможность использования сверхтонкой жидкой теплоизоляции для защиты несущих железобетонных элементов в многослойной наружной стене

Статья освещает результаты анализа температурных полей в конструкции многослойной стены в зависимости от расположения сверхтонкой жидкой теплоизоляции. Проведен графический анализ. Обобщен опыт реконструкции и эксплуатации зданий.

Ключевые слова: теплофизические свойства материалов; архитектурно-конструктивное проектирование; коэффициент теплопроводности; расчет температурных полей.

Энергосберегающие инновации в ограждающих конструкциях тесно связаны с энергопотреблением зданий. Вместе с тем анализ теплопотерь зданий показывает, что значительную их часть (40 — 50%) продолжают составлять затраты энергии на нагрев инфильтрующегося воздуха. Важно снизить количество тепла на отопление, а это может быть достигнуто повышением теплозащиты ограждающих конструкций зданий. Стремление к повышению энергоэффективности в строительном секторе побуждает ученых расширять исследования высокоэффективных теплоизоляционных материалов, что приводит к появлению новых продуктов, доступных на рынке [1−4]. теплоизоляция ограждающий конструкция энергосберегающий Практика строительства и эксплуатации жилых и общественных зданий показала, что при наличии в многослойной ограждающей конструкции несущих железобетонных элементов, таких как колонны, ригели, монолитные диски перекрытий возникает ряд проблем с промерзанием стены и ухудшением ее теплофизических свойств. Железобетонный несущий элемент становится проводником (мостиком) холода. Промерзание железобетонного элемента в стене может привести к образованию конденсата на внутренней поверхности стены и преждевременному разрушению конструкции стены [5, 6].

Использование сверхтонкой керамической жидкой теплоизоляции типа «Корунд» или «Броня» дает возможность частичного уменьшения негативного влияния железобетонного элемента на теплотехнические характеристики ограждающей конструкции здания [7, 8].

В данной статье предложен вариант возможного решения описанной выше проблемы. Задача решалась методом конечных элементов (МКЭ) с спользование программы COMSOL Multiphysics v4.3a [9].

Для сравнительного анализа использовались три варианта конструктивного решения стены (рис 1А, 1Б и 1В).

Рис. 1 Расчетная схема. 1-кирпич силикатный, 120 мм; 2-ж.б. колонна, 400×400мм;3-керамзитобетонный блок; 4-минеральная вата; 5-сверхтонкая жидкая теплоизоляция

Первый вариант расчетной схемы (Рис.1А) представляет собой трехслойную стену. Несущим элементом является железобетонная колонна (2) сечением 400×400мм. В качестве отделочного слоя — лицевой силикатный кирпич, 120 мм (1), внутренний слой ограждающей конструкции — керамзитобетонный блок, толщиной 200 мм (3). В качестве утеплителя используется жесткая минераловатная плита, толщиной 250 мм (4). Второй вариант расчетной схемы (Рис 1Б) — несущая железобетонная колонна окрашена со всех сторон сверхтонкой жидкой теплоизоляцией слоем в 3 мм (5). Третий вариант расчетной схемы (Рис 1В) -несущая железобетонная колонна окрашена сверхтонкой жидкой теплоизоляцией слоем в 3 мм только с наружной стороны.

Характеристики используемых в расчете материалов приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Расчетные параметры материалов.

Рис. 2 Сетка конечных элементов: конечных элементов -10 460, степеней свободы -21 026

Распределение температурных полей определялось из решения дифференциального уравнения с помощью оператора Лапласа:

При расчете учитывали следующие граничные условия (ГУ):

.

где R_int — сопротивление теплопередаче внутренней поверхности ограждения;

R_ext — сопротивление теплопередаче наружной поверхности ограждения;

R₀ — общее сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции;

t_int — 20 ^оСтемпература внутреннего воздуха;

t_ext — -20 ^оС температура наружного воздуха;

ф_int температура внутренней поверхности ограждающей конструкции;

ф_ext температура наружной поверхности ограждающей конструкции.

Кроме того в расчете были заданы следующие граничные условия:

• ? _int— коэффициент теплоотдачи принят по табл. 4 СП 50.13 330.2012 «Тепловая защита зданий», равный 8,7 Вт/м2оС для утренней поверхности.
• ?_ext — коэффициент теплоотдачи для наружной поверхности равный 23 Вт/м2^оС принят по табл. 6 СП 50.13 330.2012

Задача была рассчитана в стационарном режиме с неизменными теплофизическими свойствами материалов слоев. Стационарный режим рассмотрен для плоской задачи [10]. Путем расчетов с использованием программы COMSOL Multiphysics получены следующие результаты, которые приведены на рисунке 3 и 4.

Рис. 3 Распределение температуры на расчетных схемах

Рис. 4 Линии температурных полей через 5 ^оС. Стрелками показаны основные теплопотери

Полученные результаты сведены в таблицу 2.

Таблица 2.

Полученные результаты.

Выводы

• 1. Исходя из полученных данных, можно сделать следующие выводы. Средняя температура на поверхности сечения колонны в случае стандартного решения (Рис 1А) составляет 4,55 ^оС. В случае, если колонна была обработана со всех сторон сверхтонкой жидкой теплоизоляцией (Рис 1Б) составляет -5.3 ^оС. В случае, если колонна была обработана только с наружной стороны сверхтонкой жидкой теплоизоляцией (Рис 1В) составляет 8.9 ^оС.
• 2. Результаты расчетов температуры с линейными теплофизическими свойствами показали, что в незащищенных теплоизоляцией несущих железобетонных элементах возможно промерзание и образование плесени на внутренней поверхности стены (Рис 1А).
• 3. Использование сверхтонкой теплоизоляции для теплозащиты несущих железобетонных элементов со всех сторон (Рис 1Б) дает отрицательный результат. Сверхтонкая жидкая теплоизоляция с наружной стороны препятствует прохождению холода, но и с внутренней стороны препятствует прохождению тепла, что приводит к промерзанию колонны.
• 4. Использование сверхтонкой теплоизоляции для теплозащиты несущих железобетонных элементов только с наружной стороны (Рис 1В) дает положительный результат. Сверхтонкая жидкая теплоизоляция с наружной стороны препятствует прохождению холода, что приводит к прогреву колонны изнутри.
• 5. Следует отметить, что значительную долю в изменение распределения температуры приведут различные конструктивные особенности, такие как, щели, неплотная подгонка, технологические отверстия.

• 1. Menyhart, K., Krarti, M. Potential energy savings from deployment of Dynamic Insulation Materials for US residential buildings // Building and Environment. 2017. Vol. 114. P. 203−218. DOI: 10.1016/j.buildenv.2016.12.009.
• 2. Lakatos, A. Comprehensive thermal transmittance investigations carried out on opaque aerogel insulation blanket // Materials and Structures, 2017. Vol. 50. Issue 1. P. 1−12. DOI: 10.1617/s11527−016−0876−7.
• 3. Тухарели, В.Д., Чеснокова, О.Г., Чередниченко, Т. Ф. Опыт строительства высотных зданий с использованием эффективных формообразующих технологий // Новая наука: опыт, традиции, инновации: междунар. науч. период. изд. По итогам Междунар. науч. — практ. конф. 24 нояб. 2015 г. Стерлитамак, 2015. C. 180 — 184.
• 4. Чередниченко, Т.Ф., Фоминова, В. В. Биотектон — новая технология формообразования высотных сооружений // В сборнике: Ежегод. науч.-практ. конф. профессорско-преподавательского сост. и студ. ВолгГАСУ: в 3-х частях. 2008. С. 203−206.
• 5. Шеина, С.Г., Миненко, А. Н. Анализ и расчет «мостиков холода» с целью повышения энергетической эффективности жилых зданий // Инженерный вестник Дона, 2012. № 4 (часть 1). URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4p1y2012/1097.
• 6. Шеина, С.Г., Миненко, Е. Н. Разработка алгоритма выбора энергоэффективных решений в строительстве // Инженерный вестник Дона, 2012. № 4 (часть 1). URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4p1y2012/1099.
• 7. Чеснокова, О. Г. Использование сверхтонкой теплоизоляции для исключения промерзания стальных оконных перемычек // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. 2016. № 45 (64). С. 94−101.
• 8. Жуков, А.Н., Перехоженцев, А.Г., Власов, В. А. Применение жидкого керамического утеплителя для улучшения теплофизических параметров участков существующих ограждающих конструкций // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. 2011. № 21. С. 44−46.
• 9. Чеснокова, О.Г., Григоров, А. Г. Анализ распределения температурных полей краевой зоны откоса окна при наружном утеплении // Наука в современном мире: теория и практика. 2016. № 1 (4). С. 14−18.
• 10. Чеснокова, О.Г., Григоров, А. Г. Сравнительный анализ распределения температурных полей верхнего откоса окна в зависимости от способа утепления. В сборнике: Современные научные исследования: теоретический и практический аспект // Сборник статей Международной научно-практической конференции. Ответственный редактор: Сукиасян Асатур Альбертович. 2016. С. 204−208.