автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Научно-технические основы повышения теплозащитных качеств и долговечности наружных ограждающих конструкций зданий из штучных элементов

* -VI * * ,

"И,. ...ч " jíHy-.V - -V > "•*' 1 '• ' •-..■: • •- 5

/

и П / ?

-»пкрт»"'" ?

российская академия архитектуры и строительных наук

раасн

научно-исследовательский институт строительной физики

ниисф

На правах рукописи УДК 697.1 : 536.2 : 691 : 69.022

кандидат технических наук ананьев алексей иванович

научно-технические основы повышения теплозащитных качеств и долговечности наружных ограждающих конструкций зданий из штучных элементов

Специальность:

05.23.01 - "Строительные конструкции, здания и сооружения" 05.23.03 - "Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение".

диссертация

на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1998 г.

\

\

\ ■

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ 6

Глава 1.Комплексный подход к созданию энергоэкономичных зданий //

1.1. Состояние нормативной базы по теплозащитным качествам и долговечности наружных ограждающих конструкций II

1.2. Роль наружных ограждающих конструкций в общем энергетическом балансе здания 13

1.3. Анализ теплозащитных качеств современных конструктивных решений наружных ограждений i /

Выводы I у

Глава 2. Основные закономерности тепло-массопереноса в наружных

ограждающих конструкциях зданий 2 %

2.1. Общая постановка задачи о тегаю-и массообмене в ограждении 24

2.2. Особенности теплофизических свойств керамического и силикатного кирпича и бетонных камней в конструкции стены 3 о

2.3. Теплообмен при взаимодействии конструкционных и теплоизоляционных материалов и их рациональное расположение в ограждении 4%

2.4. Теплопередача наружного ограждения в стыке теплоизоляционного и конструкционного материалов 49

2.5. Взаимодействие материалов с различными влажностными свбйствами 5Т

Выводы - 6&

Глава 3. Долговечность наружных ограждающих конструкций 7-/

3.1. Постановка задачи долговечности конструкций 7-/

3.2. Метеорологическое обеспечение расчета долговечности наружных ограждений

3.3. Методика расчета долговечности наружных ограждающих конструкций

Выводы 55"

Глава 4. Комбинированное наружное ограждение с повышенными

теплозащитными качествами и долговечностью 8 6

4.1. Конструктивное решение комбинированной панели 26

4.2. Исследование в климатической камере теплозащитных качеств объемных узлов здания из комбинированных панелей SS

4.3. Влажностный режим комбинированной панели 3 Н

4.4. Оценка теплозащитных качеств разработанных узлов сопряжения комбинированной наружной стеновой панели с внутренними конструктивными элементами здания

4.5. Долговечность комбинированной панели

4.6. Натурные теплотехнические исследования и опыт экспериментального строительства /31

Выводы

Глава 5. Рациональные конструкции наружных стен из пустотелого

керамического и силикатного кирпича и камня /39

5.1. Анализ причин, снижающих теплоизоляционные свойства наружных стен современных кирпичных зданий

5.2. Особенности теплопередачи через наружную кирпичную стену с пустотами 141

5.3. Исследование теплозащитных качеств, влажностного режима и долговечности наружных стен из пустотелого керамического кирпича

и камня /53

5.4. Исследование в климатической камере теплозащитных качеств наружных стен из кирпича и камня с различными размерами пустот /53

5.5. Выбор рационального конструктивного решения сборно-монолитной стены из крупноразмерных керамических камней и кирпича

5.6. Теплозащитные качества наружных стен из силикатного кирпича и камня полусухого прессования ИЗ

5.7. Основы нормирования теплофизических свойств керамического кирпича и камня

5.8. Метод определения теплопроводности кирпича и камня /53

5.9. Теплозащитные качества наружных стен многоэтажных жилых зданий из пористой керамики. Опыт производства и экспериментального строительства ¡98

Выводы

Глава 6. Наружные стены эффективных кладок с повышенными теплозащитными качествами ^ 6

6.1. Анализ причин, сдерживающих применение наружных стен с эффективной кладкой 16

6.2.Исследование на интерферометре теплообмена на внутренней поверхности наружных кирпичных стен в зоне оконного откоса 3>18

6.3.Исследование теплозащитных качеств наружных кирпичных стен различной толщины с учетом влияния теплопотерь через оконные откосы ¿2,1

6.4. Конструктивное решение наружных кирпичных стен с эффективной кладкой ¿¿Ч

6.5. Теплозащитные качества и влажностный режим наружных ограждающих конструкций на основе местных утеплителей ¿30

6.5.1.Тегаюзащитные качества, влажностный режим и долговечность наружных ограждающих конструкций из торфодревесных блоков <¿30

6.5.2.Теплозащитные качества наружных стен из газогипсовых блоков

6.5.3.Наружные деревянные стены с повышенными теплозащитными качествами

6.6. Проектирование и строительство экспериментальных жилых домов с наружными стенами из эффективной кирпичной кладки и торфодревесных блоков 155

Выводы Х61

Глава 7. Повышение теплозащитных качеств наружных стен из пенобетонных , керамзитопенобетонных блоков и пустотелых бетонных камней ¿63

7.1. Исследование теплопроводности пенобетона. Расчетные параметры кладок стен из мелких блоков с учетом эксплуатационной влажности <163

7.2. Исследование тегого-влагофизических свойств керамзитопенобетона

и влажностного режима блочной стены Л 7-0

7.3. Фазовый состав влаги в керамзитопенобетоне в климатических условиях г. Москвы % №

7.4. Исследование в климатической камере тегаюзащитных качеств фрагментов стен из керамзитопенобетонных блоков при неравномерном распределении плотности по толщине

7.5. Конструкции наружных стен из пустотелых бетонных камней ХЯЗ

7.6. Технология изготовления керамзитопенобетонных блоков с неравномерным распределением плотности по толщине и опыт экспериментального строительства 303

Выводы Ъ о £

ЗАКЛЮЧЕНИЕ зов

Литература 3

Приложение 1. Заключение института "Тверыражданпроект" о внедрении новой конструкции комбинированной панели. 3%}

Приложение 2. Заключение архитектурной студии "Перспектива" г. Тверь о

внедрении новых конструкций стен и простенков из эффективной кирпичной кладки.

Приложение 3. Заключение Норского керамического завода (г. Ярославль) о

внедрении новой технологии производства керамических камней из пористой керамики и строительства многоэтажных зданий и 3X9 коттеджей с повышенным уровнем теплоизоляции наружных стен. Приложение 4. Заключение завода "Победа/Кнауф" (г. С.-Петербург) о внедрении новой технологии производства керамических камней из пористой керамики и строительства многоэтажных зданий с повышенным уровнем теплоизоляции наружных стен. ЗЗС

Приложение 5. Диплом Минстроя РФ по итогам открытого конкурса на

эффективные проекты малоэтажного индивидуального жилищного строительства "Свой Дом" от 14 июня 1996 г. 331

ВВЕДЕНИЕ

Решение важнейшей народнохозяйственной проблемы снижения энергозатрат на строительство и эксплуатацию зданий тесно связано с развитием теплотехнических основ проектирования энергоэкономичных долговечных наружных ограждений. Истощение энергетических природных запасов нашей страны придает этой проблеме социальную значимость.

Складывающаяся тенденция применения нетрадиционных конструкций и материалов в климатических условиях России для повышения теплозащитных качеств наружных стен не обеспечивает требуемую долговечность. Применение местных штучных материалов, с помощью которых можно решить стоящую проблему, сдерживается отсутствием данных о теплофизических свойствах, отражающих специфику тепловых и влажностных процессов в зонах их сопряжения. Недостаточная изученность особенностей протекающих физических процессов привела к необходимости проведения систематических исследований и разработке новой методологии расчета и конструирования наружных ограждающих конструкций из штучных элементов с повышенными теплозащитными качествами и долговечностью. Постановлением Правительства РФ от 27 июня 1996 г. N 753 утверждена Федеральная целевая программа "Свой Дом", которая предусматривает финансовые меры на стимулирование и поддержку индивидуального жилищного строительства из штучных местных материалов.

В связи с отсутствием в настоящее время единого нормативного документа по проектированию энергоэкономичных зданий в данной работе наружное ограждение рассматривается как самостоятельная система, энергетически связанная с общей системой здания.

Значительных вклад в развитие исследований рассматриваемой проблемы внесли С. В. Александровский, В. Н. Богословский, В.П. Титов, Ю.Н. Хромец, O.E. Власов, Ю. А Табунщиков, К. Ф. Фокин, А. В. Лыков, Ф. В. Ушков, В. Р. Хлевчук, Л.А.Гулабянц, В. К. Савин, В. М. Ильинский, P.E. Брилинг, Е.Т. Артыкпаев, Г.К. Авдеев, Б.Ф. Васильев и др. ученые.

Целью работы является создание научно-обоснованной методологии расчета и конструирования наружных ограждающих конструкций из штучных элементов с повышенными теплозащитными качествами и долговечностью, а

также обоснование необходимости разработки единой нормативной базы для проектирования новых и реконструируемых энергоэкономичных долговечных зданий.

В соответствии с поставленной целью решены следующие задачи:

1.Установлена роль наружных ограждающих конструкций в общем энергетическом балансе здания и рациональный уровень их теплозащитных качеств при различных вариантах вентиляции, режимах отпуска, контроля и утилизации тепла.

2.На базе анализа тепло-массообменных процессов в наружных ограждающих конструкциях установлена закономерность теплового и влажностного взаимодействия конструкционных и теплоизоляционных материалов и разработаны эффективные стеновые конструкции.

3. Разработана методика определения расчетных значений эксплуатационной влажности и теплопроводности кладок стен из штучных элементов с учетом технологических факторов и длительности отопительного периода. Обоснованно изменена сложившаяся неверная практика оценки теплотехнической эффективности штучных стеновых материалов.

4.Экспериментально проверен и развит метод оценки долговечности для наружных ограждающих конструкций из штучных элементов.

5.Разработана новая методология расчета и конструирования наружных ограждающих конструкций из штучных элементов с повышенными теплозащитными качествами и долговечностью, как системы энергетически связанной с общей системой здания. Обоснована необходимость разработки единой нормативной базы для проектирования новых и реконструируемых энергоэкономичных долговечных зданий.

Теоретические и экспериментальные исследования, приведенные в диссертации, выполнены автором с участием инженерно-технического персонала НИИСФ (1970-1998 гг.), которому выражаю свою искреннюю благодарность.

Основная часть исследований является результатом научно-исследовательских работ, выполненных в соответствии с Постановлением Правительства РФ №753 от 27.06.1996 г. и программой работ по решению научно-технических проблем Госстроя СССР, Госстроя и Минстроя РФ, РААСН, а также в соответствии с целевыми программами Минстройматериалов

СССР, хозяйственными договорами с кирпичными заводами и строительными проектными организациями.

Научная новизна работы заключается в создании научно-технических основ для выбора рациональных наружных ограждающих конструкций из штучных элементов с повышенными теплозащитными качествами и долговечностью; в разработке теоретических основ расчета теплообмена в пустотах ограниченных размеров в кладке стены; в физической постановке и решении задачи тепло- и массообменного процесса в зоне контакта материалов с существенно отличающимися тегою-влагофизическими свойствами; в разработке метода расчета теплообмена в зоне оконного откоса; разработке физических основ дифференцированного подхода к нормированию расчетных значений эксплуатационной влажности и теплопроводности стен из штучных элементов в зависимости от градусо-суток отопительного периода; научном обосновании метода оценки теплотехнической эффективности штучных стеновых материалов по теплопроводности в кладке стены; в обосновании разработки единой нормативной базы для проектирования новых и реконструируемых энергоэкономичных долговечных зданий.

Практическая ценность работы состоит в том, что научные результаты проведенных исследований позволили : установить требуемый уровень теплоизоляции наружных ограждающих конструкций в зависимости от оснащенности здания техническими средствами, обеспечивающими контролируемый и регулируемый режим отпуска тепла в помещения; разработать предложения по новому принципу нормирования теплофизических свойств кладок стен из штучных элементов; разработать метод оценки теплотехнической эффективности пустотелых керамических и силикатных материалов по значению их теплопроводности в кладке стены; использовать особенности тепло- массообменных процессов на границе теплоизоляционных и конструкционных материалов при создании новых конструктивных решений наружных стен, панелей, стеновых материалов; разработать комплекс выгорающих добавок и технологию изготовления крупноразмерных керамических камней, обеспечивающих снижение сорбционных свойств керамики, повышения пористости, улучшения теплотехнических свойств и долговечности кладки; повысить долговечность и теплоизоляционные качества лицевого слоя наружных кирпичных стен.

Основные результаты работы опубликованы в 93 печатных работах.

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на семинаре "Проектирование капитального ремонта и реконструкции жилых зданий" МДНТП, М.,1968., на Юбилейной конференции по строительной теплофизике, М.,1977 г., на Всесоюзной научно-технической конференции НИПИСиликатбетон, Таллинн,1983 г., на 2-ом съезде АВОК., М., 1992 г., на научно-практической конференции "Проблемы строительной теплофизики и энергосбережения в зданиях", НИИСФ, РНТОС, М.,1997 г., на 3-й научно-практической конференции, РААСН, РНТОС, М., 1998 г., на техническом совещании руководящего и инженерно-технического персонала керамических заводов Ярославской области, г. Ярославль, 1996 г., на техническом семинаре для руководящих работников и инженерно-технических специалистов в ЦНИИ ПКС при МГСУ им. Куйбышева, М., 1994 г., и в ИПК ССС и ПСМ Госстроя РФ, М., 1996 г.

Основные результаты и предложения диссертационной работы частично использованы при разработке нормативных документов, к числу которых относятся: глава СНиП П-3-79х "Строительная теплотехника. Нормы проектирования", а также в "Пособии по проектированию каменных армокаменных конструкций" (к СНиП П-22-81), ГОСТ 530-95 "Кирпич и камни керамические. Технические условия", ГОСТ 379-95 "Кирпич и камни силикатные. Технические условия", ГОСТ 6133-84 "Камни бетонные стеновые. Технические условия", ГОСТ 21520-89 "Блоки из ячеистых бетонов стеновые мелкие. Технические условия", ГОСТ 24594-81 "Панели и блоки стеновые из кирпича и керамических камней. Общие технические условия", "Рекомендации по применению мелких блоков из ячеистых бетонов", ТУ 5741-001-11512476-93 "Блоки керамзигопенобетонные стеновые мелкие", ТУ 5768-001-03983434-96 "Изготовление и применение торфодревесных плит и блоков", ТУ 10/223 РСФСР 10.13-86 "Отходы асбестоцементные мокрые для производства монолитного бетона, силикатного кирпича, камней и минеральной ваты" срок действия с 1.01.1987 г. до 30.12.1999 г., технические условия на различные типы пустотелого кирпича с освоением производства на заводах, проекты жилых зданий для массового и индивидуального строительства. Основные теоретические и экспериментальные результаты послужили физической основой для разработки новых энергоэкономичных конструкций комбинированной

стеновой панели, вошедшей в проекты сборно-монолитного домостроения системы "Тверь". Осуществлено строительство пятиэтажных жилых домов и коттеджей из комбинированных панелей в г.г. Кимры, Тверь, Бежецк, Хромтау. Разработанные новые конструкции кирпичных простенков из эффективных кладок с повышенными теплозащитными качествами вошли в проекты многоэтажного и малоэтажного строительства в г. Твери. Новая технология производства крупноразмерных камней и блоков из пористой керамики внедрена на Норском керамическом заводе (г. Ярославль) и на ЗАО "Победа/Кнауф" (г. С.-Петербург). На производство крупноразмерных камней в ближайшее время планируется перевести все заводы с импортным оборудованием. Из новых керамических камней с пористой керамикой осуществлено строительство многоэтажных жилых домов и коттеджей в г. Ярославле, С.-Петербурге, в Москве и Московской области. Керамзитопенобетонные блоки с неравномерным распределением плотности по толщине освоены в производстве и применены для массового строительства в пос. Коренево Московской области. Результаты работы использованы также в проектах малоэтажного индивидуального строительства, представленных на конкурсе "Свой Дом", и �