Помощь студентам в учебе
Конструктивные решения угловых соединений наружных стеновых ограждений
|
Введение 3
Глава 1 Теоретические аспекты о
1.1 Современное состояние проблемы теплоизоляции кирпичных жилых
домов 8
1.2 Предпосылки повышения энергоэффективности 9
1.3 Нормативная база по вопросам энергосбережения и
энергоэффективности 11
1.4 Изучение проблемы пониженных температур в угловых сопряжениях
наружных ограждающих конструкций 13
Глава 2 Методы проведения исследования и алгоритмы расчетов 25
2.1 Методики проведения обследований и анализ результатов 25
2.1.1 Анализ существующих предложенных методов решения проблемы и анализ возможности накопления водяных паров в результате использования утепляющей вставки с помощью программного комплекса
«COMSOL Multiphysics» 25
2.1.2 Выбор наиболее эффективного конструктивного решения угловой вставки посредством программного комплекса «THERM 7.3» 27
Глава 3 Разработка эффективного конструктивного решения 31
3.1 Анализ геометрического решения утепляющей вставки 31
3.2 Подбор материала для утепляющей вставки 36
3.3 Анализ возможности накопления водяных паров в результате
модернизации угла 39
Заключение 45
Список используемых источников 48
Приложение
Глава 1 Теоретические аспекты о
1.1 Современное состояние проблемы теплоизоляции кирпичных жилых
домов 8
1.2 Предпосылки повышения энергоэффективности 9
1.3 Нормативная база по вопросам энергосбережения и
энергоэффективности 11
1.4 Изучение проблемы пониженных температур в угловых сопряжениях
наружных ограждающих конструкций 13
Глава 2 Методы проведения исследования и алгоритмы расчетов 25
2.1 Методики проведения обследований и анализ результатов 25
2.1.1 Анализ существующих предложенных методов решения проблемы и анализ возможности накопления водяных паров в результате использования утепляющей вставки с помощью программного комплекса
«COMSOL Multiphysics» 25
2.1.2 Выбор наиболее эффективного конструктивного решения угловой вставки посредством программного комплекса «THERM 7.3» 27
Глава 3 Разработка эффективного конструктивного решения 31
3.1 Анализ геометрического решения утепляющей вставки 31
3.2 Подбор материала для утепляющей вставки 36
3.3 Анализ возможности накопления водяных паров в результате
модернизации угла 39
Заключение 45
Список используемых источников 48
Приложение
В работе особое внимание уделено разработке и оценке конструктивных решений, позволяющих повысить уровень энергоэффективности зданий жилого назначения в кирпичном домостроении с соблюдением требований санитарной гигиены.
На сегодняшний день значительную долю в фонде жилья занимают кирпичные дома, возведенные в 30-х - 50-х годах прошлого столетия, имя которым на сегодняшний день «Сталинки», «Хрущевки» и «Ленинградки». Достаточно большой промежуток времени от возведения этих домов до возведения современного жилья дает понять несоответствие «Сталинок», «Хрущевок» и «Ленинградок» современным требованиям теплотехники и энергоэффективности. Безусловно, пока эти дома в эксплуатации к ним требуется новый подход, позволяющий избежать известных недостатков и обеспечить граждан России действительно комфортным жильем, соответствующим действующим современным требованиям.
Актуальность работы обусловлена необходимостью разработки конструктивных решений угловых соединений наружных стеновых ограждений для повышения теплотехнических показателей существующего кирпичного домостроения.
Вопросы теплопередачи актуальны в случаях, когда нарушается условие плоской стенки (выступы, искривления, углы и т.д.), так как характер передачи тепла и распределение температуры в этих местах ограждений резко меняется по сравнению с плоской стенкой. На рисунке 1 представлены типовые термограммы внутренних поверхностей наружных стеновых конструкций, полученные в ходе тепловизионных обследований жилых помещений, на которых видны зоны с пониженными температурами (более темные цвета), через которые наблюдаются повышенные теплопотери - места сопряжений наружных ограждающих конструкций.
При модернизации конструктивных решений угловых соединений следует учитывать, что необходимо не только предупредить в самый холодный период года выпадение конденсата на внутренней поверхности характерных частей наружного ограждения, но и ограничить потерю тепла этими участками.
Практически во всех федеральных округах России основная масса жилых домов построена из кирпича с толщиной наружных стен 640 мм без теплоизоляционного слоя. Угловая зона наружных стен, как правило, имеет одну из главных проблем - понижение температуры, а в ряде случаев и промерзание, внутренней поверхности, а это в свою очередь потеря тепла помещением, несоответствие комфортных условий пребывания (проживания) людей санитарно¬гигиеническим требованиям (рисунок 2), выражающихся появлением сырости и грибков (плесени).
Именно широкое распространение кирпичного домостроения на территории как Красноярского края, так и всей РФ объясняют необходимость разработки технических решений по доведению существующих конструктивных решений угловых соединений наружных стеновых ограждений до соответствия требованиям строительных норм и правил.
Степень разработанности и практическая значимость исследования.
Практическая значимость работы заключается в разработке оптимальных конструктивных решений наружных стен в угловой зоне кирпичных жилых домов, возведенных в прошлом столетии, применительно для условий г. Красноярска.
Проблемой пониженных температур в наружных углах занимался доктор технических наук Константин Федорович Фокин. В книге «Строительная теплотехника ограждающих частей зданий» [18] рассмотрены теплотехнические особенности наружных углов стен и предложены методы решения выявленной проблемы.
К.Ф. Фокин предлагает следующие методы решения проблемы наружных угловых сопряжений стен:
- скашивание внутренних поверхностей наружного угла;
- скругление наружного угла;
- устройство на наружной поверхности угла утепляющих пилястр;
- установка в наружных углах стояков разводящего трубопровода центрального отопления.
Вышеприведенные методы, кроме устройства на наружной поверхности угла утепляющих пилястр, применимы только в новом строительстве. В работе же акцент сделан на уже существующий (возведенный) парк кирпичного домостроения.
Важной задачей в этом направлении является адекватное определение теплозащитных качеств ограждающих конструкций. Решение этой задачи позволяет оценить соответствие строительных конструкций нормативным требованиям, установить реальные потери тепла, разработать меры по повышению тепловой защиты зданий. Данной проблемой занимались авторы, работы которых приведены в [1-16]
Все работы авторов обозначены ключевой проблемой, связанной с решением задачи обеспечения населения комфортным жильем. Однако, рассматривая эту проблему, не всеми авторами предлагается конкретное решение к уже существующему домостроению. Поэтому возникла объективная необходимость исследовать проблему повышения теплотехнических параметров ограждающих конструкций в кирпичном домостроении, разработать конструктивные решения угловых соединений наружных ограждающих конструкций с улучшенными теплотехническими характеристиками, обеспечивающие санитарно¬гигиенические требования.
Цель и задачи диссертационного исследования. Целью исследования является разработка эффективных конструктивных решений углового сопряжения стен для повышения температуры угловой зоны с соблюдением требований санитарной гигиены.
Для решения поставленной цели следовало: провести анализ литературных источников для изучения современных требований параметров микроклимата и сопоставить требуемые теплопараметры с реальными в кирпичном домостроении; провести исследование существующих методов решения данной проблемы; разработать эффективные конструктивные решения угловых соединений.
Объект исследования - угловые соединения наружных стеновых ограждений.
Предмет исследования - изменение теплотехнических параметров угловых соединений и уровня тепловой защиты в зависимости от их конструктивных особенностей.
Методологическая, теоретическая и эмпирическая базы исследования. В процессе исследования использованы методы: натурных обследований строительных конструкций; логического и компьютерного моделирования; экспертных оценок. Проведены численно-аналитические исследования, использованы приемы системного анализа и сопоставительный анализ результатов. Теоретической основой диссертационного исследования стали концепции и гипотезы, представленные в технической литературе, посвященные решению проблем, связанных с теплопотерями ограждающих конструкций, нормативные документы Российской Федерации, Красноярского края и города Красноярска, а также информационная база сети интернет. Эмпирическую базу диссертационного исследования составили источники в виде данных и сведений из научной литературы, журнальных статей и научных докладов, отчетов, материалов конференций и семинаров.
Научную новизну исследования составляют разработанные конструктивные решения угловых соединений наружных стеновых ограждений с использованием утепляющих вставок в теле стены, позволяющих повысить температуру внутренней поверхности стены в угловой зоне.
На сегодняшний день значительную долю в фонде жилья занимают кирпичные дома, возведенные в 30-х - 50-х годах прошлого столетия, имя которым на сегодняшний день «Сталинки», «Хрущевки» и «Ленинградки». Достаточно большой промежуток времени от возведения этих домов до возведения современного жилья дает понять несоответствие «Сталинок», «Хрущевок» и «Ленинградок» современным требованиям теплотехники и энергоэффективности. Безусловно, пока эти дома в эксплуатации к ним требуется новый подход, позволяющий избежать известных недостатков и обеспечить граждан России действительно комфортным жильем, соответствующим действующим современным требованиям.
Актуальность работы обусловлена необходимостью разработки конструктивных решений угловых соединений наружных стеновых ограждений для повышения теплотехнических показателей существующего кирпичного домостроения.
Вопросы теплопередачи актуальны в случаях, когда нарушается условие плоской стенки (выступы, искривления, углы и т.д.), так как характер передачи тепла и распределение температуры в этих местах ограждений резко меняется по сравнению с плоской стенкой. На рисунке 1 представлены типовые термограммы внутренних поверхностей наружных стеновых конструкций, полученные в ходе тепловизионных обследований жилых помещений, на которых видны зоны с пониженными температурами (более темные цвета), через которые наблюдаются повышенные теплопотери - места сопряжений наружных ограждающих конструкций.
При модернизации конструктивных решений угловых соединений следует учитывать, что необходимо не только предупредить в самый холодный период года выпадение конденсата на внутренней поверхности характерных частей наружного ограждения, но и ограничить потерю тепла этими участками.
Практически во всех федеральных округах России основная масса жилых домов построена из кирпича с толщиной наружных стен 640 мм без теплоизоляционного слоя. Угловая зона наружных стен, как правило, имеет одну из главных проблем - понижение температуры, а в ряде случаев и промерзание, внутренней поверхности, а это в свою очередь потеря тепла помещением, несоответствие комфортных условий пребывания (проживания) людей санитарно¬гигиеническим требованиям (рисунок 2), выражающихся появлением сырости и грибков (плесени).
Именно широкое распространение кирпичного домостроения на территории как Красноярского края, так и всей РФ объясняют необходимость разработки технических решений по доведению существующих конструктивных решений угловых соединений наружных стеновых ограждений до соответствия требованиям строительных норм и правил.
Степень разработанности и практическая значимость исследования.
Практическая значимость работы заключается в разработке оптимальных конструктивных решений наружных стен в угловой зоне кирпичных жилых домов, возведенных в прошлом столетии, применительно для условий г. Красноярска.
Проблемой пониженных температур в наружных углах занимался доктор технических наук Константин Федорович Фокин. В книге «Строительная теплотехника ограждающих частей зданий» [18] рассмотрены теплотехнические особенности наружных углов стен и предложены методы решения выявленной проблемы.
К.Ф. Фокин предлагает следующие методы решения проблемы наружных угловых сопряжений стен:
- скашивание внутренних поверхностей наружного угла;
- скругление наружного угла;
- устройство на наружной поверхности угла утепляющих пилястр;
- установка в наружных углах стояков разводящего трубопровода центрального отопления.
Вышеприведенные методы, кроме устройства на наружной поверхности угла утепляющих пилястр, применимы только в новом строительстве. В работе же акцент сделан на уже существующий (возведенный) парк кирпичного домостроения.
Важной задачей в этом направлении является адекватное определение теплозащитных качеств ограждающих конструкций. Решение этой задачи позволяет оценить соответствие строительных конструкций нормативным требованиям, установить реальные потери тепла, разработать меры по повышению тепловой защиты зданий. Данной проблемой занимались авторы, работы которых приведены в [1-16]
Все работы авторов обозначены ключевой проблемой, связанной с решением задачи обеспечения населения комфортным жильем. Однако, рассматривая эту проблему, не всеми авторами предлагается конкретное решение к уже существующему домостроению. Поэтому возникла объективная необходимость исследовать проблему повышения теплотехнических параметров ограждающих конструкций в кирпичном домостроении, разработать конструктивные решения угловых соединений наружных ограждающих конструкций с улучшенными теплотехническими характеристиками, обеспечивающие санитарно¬гигиенические требования.
Цель и задачи диссертационного исследования. Целью исследования является разработка эффективных конструктивных решений углового сопряжения стен для повышения температуры угловой зоны с соблюдением требований санитарной гигиены.
Для решения поставленной цели следовало: провести анализ литературных источников для изучения современных требований параметров микроклимата и сопоставить требуемые теплопараметры с реальными в кирпичном домостроении; провести исследование существующих методов решения данной проблемы; разработать эффективные конструктивные решения угловых соединений.
Объект исследования - угловые соединения наружных стеновых ограждений.
Предмет исследования - изменение теплотехнических параметров угловых соединений и уровня тепловой защиты в зависимости от их конструктивных особенностей.
Методологическая, теоретическая и эмпирическая базы исследования. В процессе исследования использованы методы: натурных обследований строительных конструкций; логического и компьютерного моделирования; экспертных оценок. Проведены численно-аналитические исследования, использованы приемы системного анализа и сопоставительный анализ результатов. Теоретической основой диссертационного исследования стали концепции и гипотезы, представленные в технической литературе, посвященные решению проблем, связанных с теплопотерями ограждающих конструкций, нормативные документы Российской Федерации, Красноярского края и города Красноярска, а также информационная база сети интернет. Эмпирическую базу диссертационного исследования составили источники в виде данных и сведений из научной литературы, журнальных статей и научных докладов, отчетов, материалов конференций и семинаров.
Научную новизну исследования составляют разработанные конструктивные решения угловых соединений наружных стеновых ограждений с использованием утепляющих вставок в теле стены, позволяющих повысить температуру внутренней поверхности стены в угловой зоне.
На территории, как Красноярского края, так и на территории всей РФ значительную долю в фонде жилья занимают кирпичные дома, возведенные в 30¬х - 50-х годах прошлого столетия, имя которым на сегодняшний день «Сталинки», «Хрущевки» и «Ленинградки». Достаточно большой промежуток времени от возведения этих домов до возведения современного жилья даёт оценить несоответствие теплотехнических и энергетических параметров «старого» жилья современным требованиям норм. Дать точную оценку сроку эксплуатации этих домов, достаточно сложно.
Современные требования к параметрам теплотехники и энергоэффективности требуют, безусловно, нового подхода, позволяющего избежать известных недостатков и разработки технических решений по доведению существующих конструктивных решений до соответствия требованиям.
Проблемной зоной кирпичных домов прошлого столетия является угловая зона, зона понижения температуры, которая ведет за собой потерю тепла помещением, в ряде случаев промерзание внутренней поверхности угла.
На основании проведенной работы с позиции уменьшения теплопотерь угловых наружных зон кирпичных домов был предложен рациональный способ уменьшения теплопотерь - утепляющая вставка, вмонтированная в тело стены.
На начальном этапе научного исследования был проведен анализ существующих методов решения проблемы наружных угловых сопряжений стен. В ходе анализа было установлено, что ни одно из предложенных решений не решает вышеописанную проблему - температура в угловой зоне опускается ниже температуры точки росы. Анализ полученных результатов позволил оценить, насколько каждый из предлагаемых методов утепления повышает температуру в угловой зоне относительно классической модели угла (без мер утепления).
В основной части исследования было представлено эффективное техническое решение, повышающее температуру угловой зоны сопряжения наружных стен, согласно цели диссертационной работы.
Разработанное конструктивное решение заключается в использовании модульной (модуль кирпича) утепляющей вставки сложной геометрической формы. В качестве утепляющих материалов были рассмотрены: железобетон, пенобетон и утеплитель минераловатный.
Все рассмотренные варианты утепления позволили добиться желаемого результата, привели к повышению температуры в угловой зоне относительно варианта без мер утепления (7,7 °С):
- вставка из железобетона (температура в углу 9,5°С);
- вставка из пенобетона (температура в углу 14,2°С);
- вставка из утеплителя минераловатного (температура в углу 19,3°С);
- вставка из утеплителя и пенобетона (температура в углу 17,7°С).
Также над предлагаемыми вариантами утепления был проведен анализ влияния вставок на влажностный режим функционирования наружной ограждающей конструкции, который показал самый неблагоприятный материал для в ставки в этом режиме работы - минеральную вату, которая выигрывала по показателю температуры в угловой зоне.
Для оценки влажностного режима в угловой зоне выбран параметр, определяющий отношение парциального давления к давлению насыщенного водяного пара. Если отношение парциального давления к давлению насыщенного водяного пара е/Е >1, это говорит о том, что в стене есть предпосылки к накоплению конденсата (переувлажнению).
Отношение е/Е для вставок из принятых утепляющих материалов:
- стена без вставки - 1,13;
- вставка из железобетона - 1,10;
- вставка из пенобетона - 1,19;
- вставка из утеплителя минераловатного - 2;
- комбинированная вставка из утеплителя и пенобетона - 1,19;
- вставка из утеплителя минераловатного с применением на поверхности стены паронепроницаемого материала - 1,19.
Вставку можно использовать с условием применения на поверхности стены паронепроницаемого материала.
Однако, следует подчеркнуть, что в работе требуются дополнительные исследования, которые будут направлены на исследование допустимого значения отношения парциального давления к давлению насыщенного водяного пара, для того, чтобы использовать эффективное разработанное решение.
Современные требования к параметрам теплотехники и энергоэффективности требуют, безусловно, нового подхода, позволяющего избежать известных недостатков и разработки технических решений по доведению существующих конструктивных решений до соответствия требованиям.
Проблемной зоной кирпичных домов прошлого столетия является угловая зона, зона понижения температуры, которая ведет за собой потерю тепла помещением, в ряде случаев промерзание внутренней поверхности угла.
На основании проведенной работы с позиции уменьшения теплопотерь угловых наружных зон кирпичных домов был предложен рациональный способ уменьшения теплопотерь - утепляющая вставка, вмонтированная в тело стены.
На начальном этапе научного исследования был проведен анализ существующих методов решения проблемы наружных угловых сопряжений стен. В ходе анализа было установлено, что ни одно из предложенных решений не решает вышеописанную проблему - температура в угловой зоне опускается ниже температуры точки росы. Анализ полученных результатов позволил оценить, насколько каждый из предлагаемых методов утепления повышает температуру в угловой зоне относительно классической модели угла (без мер утепления).
В основной части исследования было представлено эффективное техническое решение, повышающее температуру угловой зоны сопряжения наружных стен, согласно цели диссертационной работы.
Разработанное конструктивное решение заключается в использовании модульной (модуль кирпича) утепляющей вставки сложной геометрической формы. В качестве утепляющих материалов были рассмотрены: железобетон, пенобетон и утеплитель минераловатный.
Все рассмотренные варианты утепления позволили добиться желаемого результата, привели к повышению температуры в угловой зоне относительно варианта без мер утепления (7,7 °С):
- вставка из железобетона (температура в углу 9,5°С);
- вставка из пенобетона (температура в углу 14,2°С);
- вставка из утеплителя минераловатного (температура в углу 19,3°С);
- вставка из утеплителя и пенобетона (температура в углу 17,7°С).
Также над предлагаемыми вариантами утепления был проведен анализ влияния вставок на влажностный режим функционирования наружной ограждающей конструкции, который показал самый неблагоприятный материал для в ставки в этом режиме работы - минеральную вату, которая выигрывала по показателю температуры в угловой зоне.
Для оценки влажностного режима в угловой зоне выбран параметр, определяющий отношение парциального давления к давлению насыщенного водяного пара. Если отношение парциального давления к давлению насыщенного водяного пара е/Е >1, это говорит о том, что в стене есть предпосылки к накоплению конденсата (переувлажнению).
Отношение е/Е для вставок из принятых утепляющих материалов:
- стена без вставки - 1,13;
- вставка из железобетона - 1,10;
- вставка из пенобетона - 1,19;
- вставка из утеплителя минераловатного - 2;
- комбинированная вставка из утеплителя и пенобетона - 1,19;
- вставка из утеплителя минераловатного с применением на поверхности стены паронепроницаемого материала - 1,19.
Вставку можно использовать с условием применения на поверхности стены паронепроницаемого материала.
Однако, следует подчеркнуть, что в работе требуются дополнительные исследования, которые будут направлены на исследование допустимого значения отношения парциального давления к давлению насыщенного водяного пара, для того, чтобы использовать эффективное разработанное решение.