автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Прогнозирование срока службы наружных стен жилых зданий по потере требуемой теплозащиты

005555327

На правах рукописи

ИВАНЦОВ АЛЕКСЕЙ ИГОРЕВИЧ

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ СРОКА СЛУЖБЫ НАРУЖНЫХ СТЕН ЖИЛЫХ ЗДАНИЙ ПО ПОТЕРЕ ТРЕБУЕМОЙ ТЕПЛОЗАЩИТЫ

Специальность 05.23.01 — Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 П Г?Я 2014

Казань-2014

005555327

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Казанский государственный архитектурно-строительный университет».

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор Куприянов Валерий Николаевич

Селяев Владимир Павлович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва», заведующий кафедрой «Строительные конструкции»

Котлов Виталий Геннадьевич,

кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технологический университет», доцент кафедры «Строительные конструкции и основания»

ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет»

Защита состоится «26» декабря 2014 года в 1300 часов на заседании диссертационного совета Д 212.077.01 на базе ФГБОУ ВПО «Казанский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 420043, г. Казань, ул. Зеленая, д. 1, ауд. 3-203 (зал заседаний Ученого совета).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Казанский государственный архитектурно-строительный университет» и на сайте http://diss.kgasu.ru.

Автореферат разослан «14» ноября 2014 года

Ученый секретарь

диссертационного совета — Абдрахманова Ляйля Абдулловна

•Ц-

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Федеральный закон № 384 «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений», принятый в 2009 году, в статье 33 предписывает «...в проектной документации здания или сооружения должна содержаться информация о сроке эксплуатации здания или сооружения и их частей». Ограждающие конструкции являются важной частью зданий, которые должны обеспечивать энергоэффективность зданий и комфортные условия в помещениях весь срок его эксплуатации. Однако в настоящее время проектный комплекс не располагает методами оценки или прогнозирования долговечности ограждающих конструкций.

В СП 50.13330.2012 по проектированию теплозащиты зданий приведены указания о том, что требуемая степень долговечности ограждающих конструкций должна обеспечиваться применением материалов, имеющих надлежащую стойкость. Однако понятия «требуемая степень долговечности» и «надлежащая стойкость» в этих документах не расшифрованы.

Исследованию «надлежащей стойкости» материалов наружных стен посвящено большое количество работ. Изучается, как правило, изменение механических свойств материалов при эксплуатационных воздействиях. В последние годы, в соответствии с реализацией Закона РФ №261-ФЗ «Об энергосбережении» и повышения требований к теплозащите зданий, в качестве приоритетного критерия срока эксплуатации наружных стен выходит сохранение требуемого уровня теплозащиты зданий при эксплуатационных воздействиях. Появились работы по изучению изменения коэффициентов теплопроводности материалов при эксплуатационных воздействиях. Однако во всех известных исследованиях режимы испытаний не моделируют реальные эксплуатационные воздействия на материалы ограждающих конструкций, в связи с чем выводы авторов о сроках службы материалов в ограждающих конструкциях не являются достаточно достоверными.

«Требуемая степень долговечности» наружных стен является также неопределенной. Наиболее распространенное представление о долговечности материалов для наружных стен сводится к понятию: «чем дольше, тем лучше». Для жилых зданий этот тезис является несостоятельным, поскольку известно много случаев сноса жилых зданий по причине их морального старения, хотя ресурс их физической долговечности оставался еще высоким.

В связи с этим, обоснование целесообразного срока службы наружных стен является весьма актуальным, когда учитывается как физический износ, так и моральное старение здания, когда функциональные требования, заложенные в жилые здания при их проектировании много лет назад, вступают в противоречие с новыми требованиями к жилым зданиям со стороны развивающегося общества.

Таким образом, обоснование целесообразного срока службы наружных стен жилых зданий для выработки требований к срокам службы теплоизоляционных материалов и разработка метода прогнозирования срока службы наружных стен, который учитывает реальные эксплуатационные воздействия на материалы в ограждениях является весьма актуальной задачей.

Целью работы является разработка метода прогнозирования сроков службы наружных стен по критерию их теплозащиты на основе климатических параметров в заданном месте строительства с учетом свойств материалов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Определить интервал целесообразного срока службы наружных стен на основании совместного учета факторов физического износа и морального старения жилых зданий.

2. Установить закономерности изменения температурно-влажностного режима наружных стен с основными видами теплоизоляционных материалов на годовом цикле эксплуатации здания на примере климатических условий г. Казани и разработать на этой основе метод определения эквивалентных температур эксплуатации теплоизоляционных материалов.

3. Разработать метод оценки эквивалентных температур эксплуатации теплоизоляционных материалов в наружных стенах на основе справочных данных о годовом ходе параметров климата места строительства, конструкции наружных стен и теплофизических свойств материалов.

4. Разработать метод прогнозирования срока службы наружных стен по критерию теплозащиты в заданных климатических условиях с учетом характеристик ограждения и свойств материалов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработан метод оценки срока службы наружных стен по предложенному в работе критерию теплозащиты (Лто<К%) на основе молекулярно-кинетической концепции разрушения материалов при тепловом старении с использованием выявленных в работе основных параметров долговечности материалов: энергии активации (Еа) и показателя долговечности (К>) при тепловом старении.

2. Разработан метод оценки эквивалентных температур эксплуатации теплоизоляционных материалов в наружных стенах по справочным климатическим параметрам, основанный на адекватной замене изменяющихся в эксплуатации температур материалов на одно значение, эквивалентное по энергетическому воздействию множества температур.

3. Показано, что целесообразный срок службы наружных стен жилых зданий массовой застройки зависит от социально-экономического развития региона и находится в интервале между физической и моральной долговечностью. В регионах с низким экономическим развитием целесообразный срок службы близок к физическому износу и составляет порядка 100 лет, в экономически развитых - к моральному старению и составляет 50-60 лет.

Практическое значение работы:

1. Разработанный метод прогнозирования сроков службы ограждающих конструкций позволит проектным организациям включать в проектную документацию информацию о сроках службы ограждающих конструкций.

2. Разработанный метод проектирования наружных стен с заранее заданным сроком службы позволит проектировать наружные стены с различным сроком службы в соответствии с социально-экономическим развитием регионов.

3. Сформулированные в работе предложения о включении в перечень технических свойств теплоизоляционных материалов показателей их долговечности (энергию активации и показатель долговечности при тепловом старении) создаст необходимую для проектных организаций базу данных для расчетов срока службы наружных стен.

4. Результаты исследований включены в методические указания «Разработка конструктивного решения наружных стен и обеспечение основных параметров теплозащиты», предназначенные для широкого использования в подготовке студентов всех строительных специальностей.

Объект исследования: наружные стены жилых зданий, выполненные с тонким слоем наружной штукатурки по утеплителю (система «мокрый фасад»).

Предмет исследования: температурно-влажностный режим теплоизоляционных слоев наружных стен, как основа для оценки их срока службы.

Достоверность результатов, научных выводов и рекомендаций обеспечена воспроизводимостью экспериментальных результатов, сходимостью расчетных и экспериментальных значений, использованием расчетных программ и сертифицированного испытательного оборудования, прошедшего госповерку.

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены на ежегодных научно-технических конференциях Казанского ГАСУ в г. Казани в 2011-2014 годах; на IV-V Академических чтениях «Актуальные вопросы строительной физики. Энергосбережение. Надежность строительных конструкций и экологическая безопасность» в г. Москве в 2012-2013 годах; на Х1-ХП, XTV Международных Симпозиумах «Энергоресурсоэффективность и энергосбережение» в г. Казани в 2011-2012, 2014 годах; на научно-практической конференции, проводимой в рамках Конкурса на соискание именных стипендий Мэра г. Казани в 2013 году, на VIII Академических чтениях РААСН-международной научно-технической конференции «Механика разрушения строительных материалов и конструкций» в 2014 году.

Работа отмечена Дипломом стипендиата Мэра г. Казани (2013).

Работа выполнялась по плану фундаментальных НИР «Волжского регионального отделения РААСН» №7.3.16 на 2013-2014 годы.

Публикации. По материалам диссертационного исследования опубликовано 10 работ, включая 7 научных статей в журналах, входящих в перечень ведущих рецензируемых научных журналов ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и списка литературы. Текст изложен на 159 страницах, содержит 57 рисунков, 20 таблиц. Список литературы включает 141 наименование.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы.

В первой главе приведен обзор и анализ научных работ и нормативной литературы, посвященных нормированию и исследованию срока службы ограждающих конструкций.

Это работы A.A. Ананьева, А.И. Ананьева, К.А. Андрианова, И.В. Бессонова, Ю.Л. Боброва, O.E. Власова, A.C. Горшкова, К.Э. Горяйнова, Б.В.Гусева, А.Г.Дементьева, В.Н. Деркача, В.А. Езерского, М.К. Ищука,

M.B. Кнатько, C.B. Коканина, О.И. Лобова, П.В. Монастырева, Р.З. Рахимова, К.П. Сигачева, A.M. Сулейманова, В.Р. Хлевчука, Г.Г. Фаренюка, В.П. Ярцева, Н. Hens, H. Künzel, A. Saari, Е. Vesikari. Наибольший вклад в разработку методов прогнозирования сроков службы ограждающих конструкций внесли такие ученые, как C.B. Александровский, К.А. Андрианов, В.Е. Батрак, Ю.Л. Бобров,

B.В. Бобряшов, C.B. Коканин, A.B. Ли, Г.Г. Фаренюк. Исследования посвящены, как правило, механическим показателям свойств материалов.

В связи с принятием закона №261-ФЗ «Об энергосбережении» в 2009 году большее внимание стало уделяться оценке срока службы ограждающих конструкций по критерию теплозащиты (работы С.В.Александровского, A.B.Ли,

C.B. Коканина и др.). Однако, за критерий теплозащиты при определении сроков службы наружных стен авторы принимают снижение проектной величины сопротивления теплопередаче наружной стены на 5-30 %, в то время как проектная величина сопротивления теплопередаче является субъективным решением проектировщика, следовательно, критерий теплозащиты нуждается в уточнении.

Обзор существующих исследований позволил, также, установить, что:

- существующие методы исследований старения теплоизоляционных материалов не моделируют реальные эксплуатационные воздействия на материалы в наружных стенах;

- при любых эксплуатационных воздействиях на ограждающие конструкции старение теплоизоляционных материалов (увеличением их коэффициентов теплопроводности) имеет линейную зависимость;

- наиболее применимой теоретической основой для оценки срока службы теплоизоляционных материалов, содержащих полимерную основу, является молекулярно-кинетическая концепция старения материалов. В работе использованы известные зависимости по определению эквивалентной температуры (по Гойхману):

где Еа - энергия активации процесса разрушения, Дж/моль; Я — универсальная газовая постоянная, Дж/(К-моль); N — число интервалов времени Дг, со средней температурой 7} на рассматриваемом отрезке времени т0. и оценке срока службы согласно температурно-временной аналогии (по уравнению Аррениуса):

fj_ О

R Т V w в т„)

где ти - продолжительность старения материала при температуре изотермических испытаний, лет;

Ти - температура при изотермических испытаниях, К; Тже - эквивалентная температура эксплуатации, К.

(1)

Анализ научных работ и нормативной литературы позволил установить различие в понятиях «долговечность» и «срок службы». В настоящей работе принято следующее определение этих терминов:

- под «долговечностью» следует понимать сопротивление изменению свойств материалов при эксплуатационных воздействиях. Долговечность определяется различными показателями, которые характеризуют кинетику старения материалов. В соответствии с этим, единицы измерения показателей долговечности могут быть различными;

- понятие «срок службы» характеризует календарную продолжительность эксплуатации до достижения определяющим показателем свойств материалов критического значения. Единицей измерения срока службы является время (час, месяц, год).

Обобщение существующих исследований позволило сформулировать цели и задачи работы.

Во второй главе на основании анализа срока службы жилых зданий по факторам физического износа и морального старения предложен подход к определению интервала целесообразного срока службы как жилых зданий, так и наружных стен.

Установлено, что срок службы несущих систем зданий, выполненных из природных каменных материалов составляет 1-3 тысячи лет, из искусственных каменных материалов (кирпича, бетона, железобетона) находится в пределах 300-500 лет, из органических или смешанных материалов - 20-200 лет. В силу этого срок службы несущих и ограждающих конструкций зданий не может быть одинаковым.

В процессе эксплуатации в зданиях происходит физический износ материалов, а в обществе происходят социально-экономические изменения и изменяются требования к жилым зданиям. Функциональные требования, заложенные в жилые здания на момент их проектирования, со временем вступают в противоречие с требованиями развивающегося общества, и происходит так называемое моральное старение жилых зданий.

Обобщенный ретроспективный анализ развития жилых зданий массовой застройки за последние 100 лет и их морального старения показывает следующее:

- одно-двухэтажные бараки, построенные в период индустриализации страны (20-30-е годы), через 40 лет были снесены по причине их несоответствия социально-экономическим требованиям;

- двух-трехэтажные кирпичные здания с деревянными перекрытиями постройки 30-50-х годов через 40-50 лет эксплуатации оказались морально устаревшими и подверглись сносу;

- крупнопанельные пятиэтажные здания постройки 50-60-х годов перестали соответствовать социальным требованиям уже к началу 90-х годов. Появились региональные программы по реконструкции крупнопанельных зданий первых массовых серий, а в экономически развитых регионах эти здания подверглись сносу.

Таким образом, срок службы жилых зданий по моральному старению наступает через 40-60 лет их эксплуатации, вне зависимости от их физического состояния.

Изучение этого вопроса показало, что решение о продолжении эксплуатации устаревшего здания, его реконструкции или сноса и строительства нового определяется уровнем социально-экономического развития региона.

На рисунке 1 приведено схематическое представление об оценке срока службы жилых зданий по факторам физического износа и морального старения. Физический износ зданий определен кривой 1, а срок службы отрезком 1Ф. Эта зависимость характерна для регионов со слабым развитием экономики. Фактор морального старения проявляется тем сильнее, чем выше социально-экономическое развитие региона. Старение зданий протекает по кривым 2, 3, ..., п, а срок службы отрезками 2М, ЗМ,..., пМ, где зависимость п характеризует процесс морального старения в наиболее экономически развитом регионе. Установление корреляции между уровнем социально-экономического развития региона и моральным старением жилых зданий требует специального исследования и в настоящей работе не рассматривается.

Продолжительность эксплуатации жилого здания массовой застройки, годы Рисунок 1 - Схематическое представление о физическом износе и моральном старении жилых зданий

Таким образом, целесообразный срок службы наружных стен находится в интервале 50-100 лет в соответствии со сроком службы жилых зданий в зависимости от экономического развития региона. В связи с этим, срок службы теплоизоляционных материалов для наружных стен жилых зданий должен находиться в тех же пределах.

В третьей главе изучены закономерности изменения температурно-влажностного режима в основных видах утеплителей наружных стен в эксплуатируемом здании на примере климатических условий г. Казани.

Эксперимент проводился на разработанном натурном испытательном стенде (рисунок 2), представляющим собой простенок существующего эксплуатируемого здания, утепленный по системе «мокрый фасад» с использованием трех видов эффективного утеплителя: пенополистирола средней плотностью 8,6 кг/м3, минеральной ваты средней плотностью 95,8 кг/м3 и ячеистого бетона средней плотностью 422 кг/м3 и наружной штукатурки из смеси Сегевк СТ190 (рисунок 3). Регистрируются температура и относительная влажность

о-

100

срок службы по физическому износу (1Ф)

ш

Рисунок 2 - Общий вид

натурного стенда (без штукатурного слоя)

воздуха в порах материалов по сечению стены с использованием измерительного комплекса Терем 3.2 с датчиками марки ДТГ-2.0. Одновременно регистрируется суммарная солнечная радиация, приходящая к поверхности ограждающей конструкции, с помощью со-ляриметра БЬ-ЮО. Значения регистрируемых показателей каждые 15 минут через адаптер передаются на компьютер для обработки результатов и построения итоговых таблиц и графиков.

В итоге за два года наблюдений получена база экспериментальных данных, содержащая более 100 тыс. измерений интенсивности солнечной радиации, приходящей к поверхности стенда, температуры и относительной влажности воздуха по расчетным сечениям каждого вида утеплителя.

в-в

3 2 1

|

—41

_ _ 8

-г

Закономерности изменения температурного режима в наружных стенах определяются годовым и суточным ходом как температуры наружного воздуха, так и теплового потока солнечного облучения. Величина температуры по сечению стены зависит также от теплофизических свойств утеплителей, что в качестве примера показано на рисунке 4 (температура в 12.00 на расстоянии 2,5 см от наружной поверхности составляет: пенополистирол +40,2 °С, минеральная вата +32,9 °С, ячеистый бетон +22,4 °С при Т„ = -5 °С).

Экспериментальная база данных по значению температур в исследованных сечениях наружной стены позволила оценить эквивалентную температуру Тэкв по формуле (I), которая с точки зрения молекулярно-кинетической концепции разрушения материалов заменяет множество переменных значений эксплуатационных температур, таблица 1.

Таблица 1 - Эквивалентные температуры эксплуатации по расчетным сечениям

Рисунок 3 - Фрагмент испытательного натурного стенда

(для одного вида утеплителя) 1 — простенок здания, 2 — утеплитель, 3 — наружная штукатурка. 4 - датчик температуры/относительной влажности в конструкции стенда, 5 - то же, во внутреннем и наружном воздухе, 6 - адаптер, 7 - ПК.

Расчетные сечения - расстояние от наружной поверхности, см Пенополистирол Минеральная вата Ячеистый бетон

0 31,8 32,4 26,4

2,5 26,3 25,1 21,7

5 23,3 20,8 19,5

10 19,7 - -

15 20,1 20,4 19,8

Пенополистирол

Минеральная вага

Ячеистый бетон

----температура наружного воздуха----относительная влажность наружного воздуха_

Рисунок 4 - Распределение температуры и относительной влажности по сечению стенда в теплоизоляционном слое 4.03.14

Анализ экспериментальных данных по влажностному режиму основных видов утеплителей позволил установить отсутствие расхождений в величине относительной влажности воздуха в порах материалов <р, между видами утеплителей: вблизи наружной поверхности утеплителя (р = 70+80 %, у внутренней -(р = ЗСН-50 %. Расчет сорбционной влажности материалов по Франчуку по значениям относительной влажности воздуха показал следующие значения (% по объему): пенополистирол - 0,014-Ю,02 %, минеральная вата - 0,023-Ю,044 %, ячеистый бетон - 1,26+2,27 %. Экспериментальные данные подтвердили эти значения.

В целом, анализ влажностного режима в утеплителях эксплуатируемого здания подтвердил незначительность воздействия влаги на процессы старения материалов, а определяющим воздействием является тепловое старение.

В четвертой главе разработан метод расчета эквивалентной температуры эксплуатации теплоизоляционных слоев в наружных стенах на основе параметров климата, приведенных в справочной литературе по строительной климатологии.

Температурный режим в наружных стенах определяется суммарным воздействием температуры наружного воздуха Th и тепловым потоком солнечной радиации, приходящим к наружной поверхности ограждения S, так называемой условной температурой солнечного облучения Тусл. Условная температура наружного воздуха вблизи поверхности ограждения определяется по формуле A.M. Шкловера:

pS

(3)

где

Т =Т +Т = Т+-

р - коэффициент поглощения поверхности наружной стены; Б - интенсивность суммарной солнечной радиации, Вт/м"; а„ - коэффициент теплоотдачи наружной поверхности ограждения, Вт/м2 °С, определяемый по выражению:

а_ =1,1б(5 + 1(к/к}

V— скорость ветра, м/с, а температуры по отдельным сечениям в слоях наружной стены будут определяться процессами затухания тепловой волны, которые, в свою очередь, зависят от конструкции ограждения и теплофизических свойств материалов.

40

30

20

10

-

£

-10

-20

-30

Ноябрь Декабрь Январь Февраль Март Апрель Май Июнь Справочные данные: Экспериментальные данные:

------среднемесячные значения температуры наружного воздуха--за период X11.12-VI.13

------- с учетом среднесуточных амплитуд -за период X11.13-VI.14

----------- с учетом максимальных суточных амплитуд

Рисунок 5 - Фрагмент годового хода температуры наружного воздуха за период наблюдений (XII.12-VI.13 и XII.13-V1.14)

На рисунке 5 приведены экспериментальные данные по температуре наружного воздуха, полученные на натурном испытательном стенде, в сравнении с параметрами, взятыми из нормативной литературы по строительной климатологии. Хорошее совпадение экспериментальных и справочных данных указывает на обоснованность использования справочных данных по температуре наружного воздуха для расчетов эквивалентной температуры эксплуатации материалов в наружных стенах.

Для практических расчетов удобнее использовать другие нормативные данные, где годовой ход температуры наружного воздуха представлен продолжительностью действия температуры в часах по градациям в 2 °С от минимальных до максимальных значений для конкретных географических пунктов.

Воздействие на ограждение только температуры наружного воздуха проявляется при полной облачности или для фасадов зданий определенной ориентации, где исключено воздействие солнечной радиации.

"♦—-30.1V.I4 - расчетное распределение -ф— - 3.00 — - 9.00 -»—-11.00 «♦—■-12.30 ..." " "*--12.00 -•— - 13.00 -«--15.00 -•--21.00

Рисунок 6 - Распределение температуры по сечению теплоизоляционного материала (минеральной ваты): а) в отсутствии солнечной радиации, б) с солнечной радиацией

На рисунке 6а приведены экспериментальные данные, полученные на натурном стенде, и можно видеть, что распределение температур по сечению утеплителя изменяется линейно и его можно описать закономерностями стационарной теплопередачи:

/, = Т --

(4)

где Тв - температура внутреннего воздуха, °С; Т„ - температура наружного воздуха, °С;

Яго - общее сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции, м2-°С/Вт;

Яго. <— сопротивление теплопередаче части ограждающей конструкции от внутренней поверхности до ¡-го сечения, включая сопротивление теплопередаче Яги, м"-°С/Вт, а эквивалентные температуры по слоям определяются с использованием формулы (1), в которой параметр 7} заменен формулой (4):

я

-Е к Т

Г - ти

Ят„

я,,

(5)

где А г, - продолжительность действия температуры наружного воздуха 7„у, ч, то= 8760 ч — количество часов в году.

Влияние солнечной радиации требует учета большего числа факторов в силу нестационарности воздействия тепловой волны, что видно из рисунка 66, где представлено распределение температур по сечению теплоизоляционного слоя в течение суток.

Интенсивность солнечной радиации Л' и, следовательно, повышение температуры на поверхности ограждения Тусл зависят от времени суток, наличия облачности и ориентации поверхности стены. Ключевыми климатическими па-

раметрами, при этом, являются продолжительность облучения фасада в сутки, месяц, год и изменение интенсивности облучения 5 в те же периоды.

На рисунке 7 представлен график изменения максимальных температур на поверхности натурного стенда в течение февраля 2014 года. Можно видеть, что даже в феврале месяце при Г„ = -10 °С температура поверхности стенда с пено-полистиролом превышала 60 °С (22.02.14). В летние месяцы эта температура ежедневно находится в интервале 65-70 °С, что подтверждает сделанный в работе вывод об определяющем воздействии — тепловом старении материалов в наружных стенах.

- пенополнстирол

- облачность

15

День месяца

- минеральная вата

25 30

- ячеистый бетон

Рисунок 7 - Изменение максимальной температуры поверхности натурного стенда

Из рисунка 7 можно видеть, что при уменьшении облачности (особенно до 0 баллов) резко возрастает температура поверхности ограждения. Однако, оценка степени облачности проводится визуально и является весьма приблизительной, что влияет на точность расчетов. Для увеличения точности расчетов в работе использованы количественные данные по продолжительности солнечного сияния в часах за сутки, месяц и год, представленные в климатических справочниках для различных географических пунктов. Продолжительность солнечного сияния измеряется универсальным гелиографом, который регистрирует солнечную радиацию, когда ее интенсивность превышает 120 Вт/м". Таким образом, автоматически исключаются периоды времени с облачностью и периоды времени после восхода и перед заходом солнца, когда энергия лучей меньше 120 Вт/м2.

Справочные данные по продолжительности солнечного сияния получены для всего небосвода, в то время как различно ориентированные фасады зданий получают только долю этого облучения.

На рисунке 8 приведена схема определения доли солнечного облучения южного, восточного и западного фасадов (в качестве примера) с использованием солнечной карты для 56° с. ш. (широта г. Казани). Доля облучения фасада -коэффициент продолжительности облучения к0 определяется отношением продолжительности облучения фасада тфк,ч, к долготе дня гвДьч, (интервалу времени от восхода до захода солнца).

Коэффициент облученности ка,и определяется для заданной географической широты местности, для каждого месяца года, для фасадов практически любых ориентации. В зависимости от ориентации фасада и месяца года возникают ситуации, когда солнечные лучи приходят к плоскости фасада под малыми углами, как бы скользят вдоль плоскости (например, для восточного фасада в 12 ч по рисунку 8) и тепловой поток солнечной радиации не приводит к повышению температуры поверхности ограждения. В этом случае следует уменьшать величину Хф,к на время, определяемое индивидуально для каждой ориентации фасада и месяца года. Для фасадов, ориентированных на основные 8 румбов, величина к0.к для г. Казани, определенная в работе, находится в пределах от 0,06 до 1,0.

(6)

Декабрь

Рисунок 8 - К определению доли облучения фасадов различной ориентации с использованием солнечной карты для г. Казани (56° с. ш.)

_ - долгота дня

(июнь-17,6 ч. март/сентябрь- 12ч, декабрь-7ч); дп- - продолжительность облучения фасада (Ю) ^^ (июнь-12 ч, март/сентябрь-12 ч, декабрь-7 ч);

- продолжительность облучения фасада (В) (июнь-8,8 ч. март/сентябрь-6 ч, декабрь-3,5 ч).

гДе средняя продолжительность облучения фасада с определенной ори-

ентацией по сторонам света в течения дня в к-ом месяце, ч; Тд.д,к ~ средняя долгота дня в к-ом месяце, ч.

Продолжительность действия солнечной радиации на фасад здания конкретной ориентации в каждом месяце можно определить, как:

где тст„гк - продолжительность солнечного сияния в определенном месяце, ч; к0 к - коэффициент продолжительности облучения фасада в этом месяце.

Температуру в сечениях теплоизоляционного слоя при воздействии солнечной радиации можно определить с использованием показателя затухания температурных колебаний:

— = (8) V, ау[

где V,- - показатель затухания колебаний в /-ом слое теплоизоляции, определяемый по расчету конструкции ограждения на теплоустойчивость.

Интенсивность солнечной радиации S представлена в справочной литературе по часам суток в каждый месяц года для фасадов основных ориентации по географическим широтам с градацией в два градуса. При расчете температур поверхности ограждений следует принимать среднесуточные значения S за каждый месяц с часовой интенсивностью свыше 120 Вт/м", то есть той интенсивностью, свыше которой происходит значимое повышение температуры поверхности.

Эквивалентная добавка к температуре для каждого элементарного слоя теплоизоляционного материала от действия солнечной радиации определится как:

Е, R

1п

1

-El R

( PS,

(9)

где

А*ыя„.к — продолжительность солнечного сияния в определенном месяце, ч, определяемая по (7);

Том» - суммарная продолжительность солнечного сияния в течение года, ч.

Тогда согласно (3) эквивалентная температура эксплуатации в слое теплоизоляции определится как:

= +<_,«.,■ (ю)

Для исследуемых видов ограждения расчетные значения эквивалентных температур в различных сечениях представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Эквивалентные температуры эксплуатации по расчетным сечениям (расчет по справочным данным о годовом ходе параметров климата), °С

Расчетные сече-ння - расстояние от наружной поверхности, см Пенополистирол Минеральная вата Ячеистый бетон

OTt„ от Цел сумм. OTtH от ^усл сумм. от tH от ^УСЛ сумм.

0 12,7 18,2 30,9 12,7 18,3 31,0 12,7 17,0 29,7

2,5 12,9 14,5 27,4 12,9 12,0 24,9 12,9 12,0 24,9

5 13,3 11,2 24,5 13,4 7,7 21,1 13,1 8,3 21,4

10 14,8 5,6 20,4 - - - - - -

15 17,5 0,4 17,9 17,7 0,2 17,9 14,9 0,8 15,7

Расхождение расчетных значений, полученных по справочным климатическим данным (таблица 2) и полученных по экспериментальным данным (таблица 1) находится в пределах 5-15 %, что для справочных климатических данных можно признать допустимым.

В пятой главе разработан метод прогнозирования срока службы наружных стен жилых зданий по критерию теплозащиты.

Сущность метода заключается в определении времени эксплуатации, за которое сопротивление теплопередаче стены Кто, уменьшающееся в результате старения, станет меньше требуемого сопротивления теплопередаче наружных стен к1!.

Критерий теплозащиты имеет вид:

Кто < Ко- (И)

Величина для заданного места строительства определяется нормативным документом - СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий».

Если облицовочные слои наружных стен подвергаются ремонту и восстановлению в процессе эксплуатации здания, а конструктивные слои практически не изменяют теплозащитных свойств, то снижение теплозащитных свойств ограждающих конструкций происходит в результате старения и повышения коэффициентов теплопроводности Я теплоизоляционных слоев.

В этом случае, срок службы наружных стен т определяется как отношение критического изменения (увеличения) коэффициента теплопроводности ЛХкр к ежегодному увеличению коэффициента ЛХгоб в процессе старения:

А„ - А„

Г = —^ = ^-(12)

ДЛ„„

где Л; - коэффициент теплопроводности, принятый в расчетах (по справочным данным), Вт/м°С;

Хкр - величина коэффициента теплопроводности теплоизоляционного материала, которая определяется снижением теплозащитных свойств наружных стен до критической величины, когда КГО < я™, Вт/м- "С,

д ^ 6т„ <?„„,

' «.,: *%-Вюл' (13)

■Кгао - общее сопротивление теплопередаче конструкции ограждения за вычетом слоя теплоизоляции, м"- °С/Вт.

Как установлено ранее, величина эксплуатационной температуры по толщине слоя теплоизоляции не одинакова (она выше в слоях у наружной поверхности), следовательно, тепловое старение по толщине теплоизоляции будет неравномерным, тогда срок службы теплоизоляционного слоя можно определить, как среднее из сроков службы отдельных расчетных слоев т,:

г=£:, (14)

п

где п — количество расчетных слоев в утеплителе.

Срок службы расчетного слоя в соответствии с термофлуктуационной концепцией для ненагруженного материала можно определить по выражению (2).

Температура изотермических испытаний Ти в формуле (2) должна максимально ускорять процесс старения, но не должна изменять физический процесс теплового старения.

В оценке ти должно найти отражение изменение величины X при температуре изотермических испытаний. Эти изменения определяются формулой:

= + Л0, (15)

где К>_ - показатель долговечности при тепловом старении, Вт/м °С год.

А» - А, Д2..

Отсюда г,, =-

К, К,

(16)

В итоге время до выхода из строя теплоизоляционного слоя, а значит и всей конструкции наружной стены по критерию потери теплозащитных свойств определится как:

ДА.

К

-2>хр

г =-

Еа

1

1

(17)

где Тж„1 — эквивалентная эксплуатационная температура в 1-том слое теплоизоляционного материала, К;

п — количество расчетных слоев в слое теплоизоляционного материала.

Исследование показало, что срок службы теплоизоляционных материалов в значительной мере определяется величиной энергии активации Еа и показателя долговечности К>. при тепловом старении материала. На рисунке 9 показано изменение срока службы наружной стены с утеплителем из пенополитстирола различной толщины при различных Еа и КМожно видеть, что срок службы изменяется в несколько раз.

Из этих данных следует важный вывод о том, что при оценке срока службы наружных стен недостаточно говорить только о виде теплоизоляционного материала. Среди технических характеристик теплоизоляционных материалов заводы-изготовители должны приводить величину энергии активации (Еа) и показатель долговечности материала (К;.) при тепловом старении.

Для реализации разработанного метода прогнозирования сроков службы наружных стен по критерию теплозащиты была разработана «ПРОГРАММА РАСЧЕТА СТОКА СЛУЖБЫ НАРУЖНЫХ СТЕН» с использованием справочных данных по параметрам климата, с учетом конструкции стены и свойств материалов. Для примера с помощью этой программы рассчитаны прогнозируемые сроки службы нескольких наружных стен различного конструктивного исполнения для условий г. Казани с применением теплоизоляционных материалов, исследованных в работе (таблица 3).

Рисунок 9 - Зависимость срока службы наружных стен от величины Еа и К>. и толщины утеплителя для южного фасада в условиях г. Казани (для конструкции по п.1 таблицы 3)

Таблица 3 — Прогнозируемый срок службы наружных стен основных ориентации, год

N п/п Вид конструкции Ориентация фасада

Ю С В(3) ЮВ (ЮЗ) СВ (СЗ)

1 8 мм штукатурка + 120 мм ППС + 380 мм сил.кирпич (RTO=3,7 м2-°С/Вт) 24,4 45,0 23,1 23,3 28,8

2 8 мм штукатурка +120 мм м/в + 380 мм сил.кирпич (RTO=4,0 м2- °С/Вт) 14,7 23,5 14,2 14,2 16,7

3 120 мм кирпич + 120 мм ППС + 250 мм сил.кирпич (RTO=3,7 м2-°С/Вт) 32,0 47,1 31,8 31,9 36,5

Результаты, полученные в работе, позволяют не только оценить срок службы наружных стен с известным утеплителем, но и проектировать наружные стены с заранее заданным сроком службы. При этом решается задача определения такой толщины теплоизоляционного слоя 8тт при которой критический прирост его коэффициента теплопроводности АЛ^ произойдет через заданное количество лет.

Из выражения (13) с учетом (12) получим:

= (Л^ - (А0 + АД, ) (18)

Выразив из выражения (17) АА^ и подставив в формулу (18), получим выражение для расчета толщины утеплителя, которая при известных параметрах долговечности обеспечит заданный срок службы:

/

~{R7o -Rm.o\

Л, +птгпК.

Ёехр

1

•и J J

(19)

По полученной формуле в качестве примера рассчитана толщина теплоизоляционного слоя для некоторых конструктивных решений, приведенных в таблице 3, при требуемом сроке службы в 60 лет, таблица 4.

Таблица 4 - Требуемая толщина теплоизоляционных слоев для обеспечения 60-

Номер конструкции по табл.3 Вид утеплителя Характеристика конструкции Ориентация фасада

Ю С В(3) ЮВ (ЮЗ) СВ (СЗ)

1 ППС д,„ „, мм 144 126 146 146 138

Яго,м2-°С/Вт 4,32 3,86 4,37 4,37 4,16

2 Минеральная вата д,„ ,„ ММ 203 162 208 208 190

Rto,M2-°C/BT 6,43 5,25 6,57 6,57 6,05

3 ППС ¿m il, MM 132 124 133 133 129

RT0, m2-°C/BT 3,96 3,76 3,99 3,99 3,89

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Установлен критерий срока службы наружных стен по потере требуемой теплозащиты. Календарный срок службы будет исчерпан в тот момент времени, в котором убывающее в результате старения сопротивление теплопередаче стены Я то станет меньше требуемого сопротивления теплопередаче , определенного по нормативным документам: ята < КЦ .

2. Доказано, что основным видом эксплуатационного воздействия на теплоизоляционные материалы с полимерной основой в наружных стенах является воздействие температуры, вызывающее тепловое старение. Влажностные воздействия в наружных стенах оказались не значимыми.

3. Установлено, что снижение теплозащитных свойств материалов в наружных стенах (увеличение коэффициента теплопроводности) при тепловом старении имеет линейный характер.

4. Подтверждена возможность и необходимость замены переменных эксплуатационных температур одним значением, так называемой эквивалентной температурой эксплуатации, которая энергетически моделирует воздействие на материал переменных температур.

5. Доказана возможность использования многолетних справочных данных по климатическим факторам для оценки эквивалентных температур эксплуатации теплоизоляционных материалов в наружных стенах.

6. Установлены основные параметры теплоизоляционных материалов, которые характеризуют его долговечность: энергия активации процесса теплового старения (Еа, кДж/моль) и показатель долговечности при тепловом старении (Кх, Вт/м°Сгод). Предложено производителям теплоизоляционных материалов вводить указанные параметры долговечности в перечень технических характеристик материалов.

7. Установлен интервал целесообразного срока службы наружных стен на основании совместной оценки физического износа и морального старения жилых зданий. В регионах с низким экономическим развитием срок службы близок к сроку службы по физическому износу и составляет 100 лет, в экономически развитых — к сроку службы по моральному старению и составляет 50-60 лет.

Основные положения диссертации отражены в следующих публикациях:

1. Куприянов, В. Н. К вопросу о долговечности многослойных ограждающих конструкций / В. II. Куприянов, А. И. Иванцов // Известия Каз-ГАСУ. - 2011. - X» 3 (17). - С. 63-70.

2. Куприянов, В. Н. Обеспечение долговечности ограждающих конструкций на стадии их проектирования / В. Н. Куприянов, А. И. Иванцов // Жилищное строительство. — 2012. — № 6. — С. 35-36.

3. Куприянов, В. Н. Конденсация парообразной влаги в наружных стенах при суточных колебаниях температуры наружного воздуха/ В. Н. Ку-

приянов, А. И. Иванцов // Приволжский научный журнал. - 2013. - _\»2. -С. 17-22.

4. Иванцов, А. И. Натурные исследования эксплуатационных воздействий на фасадные системы с различными видами эффективных утеплителей / А. И. Иванцов, В. Н. Куприянов, И. Ш. Сафин // Жилищное строительство. - 2013. - № 7. - С. 29-32.

5. Куприянов, В. Н. К определению оптимальной долговечности ограждающих конструкций жилых зданий массовой застройки / В. Н. Куприянов, А. И. Иванцов // Известия КазГАСУ. - 2013. - № 2 (24). - С. 118-125.

6. Иванцов, А. И. Режим эксплуатации многослойных стеновых ограждающих конструкций как основа прогнозирования их срока службы / А. И. Иванцов, В. Н. Куприянов // Известия КазГАСУ. - 2014. - Л» 3 (29). - С. 3240.

7. Иванцов, А.И. Прогнозирование срока службы наружных стен жилых зданий по критерию теплозащиты / А. И. Иванцов, В. И. Куприянов // Известия КазГАСУ. - 2014. - № 4 (30) (в печати).

8. Куприянов, В. Н. Разработка конструктивного решения наружных стен и обеспечение основных параметров теплозащиты. Методические указания для самостоятельной работы студентов / В. Н. Куприянов, И. Ш. Сафин, А. И. Иванцов. - Казань, 2012.-40 с.

Подписано в печать Заказ Л» 407 Тираж 100 экз.

24.10.20)4 г.

Печать ризографическая

Бумага офсетная X» I Формат 60x84/16 Усл.-печ.л. 1,0

Отпечатано в полиграфическом секторе КГАСУ. 420043, г. Казань, ул. Зеленая, 1 ..